〈工業技術與資訊〉化合物半導體成科技新戰場
撰文／張玉圓
講到化合物半導體，一般人可能覺得陌生，但說到「黑科技」氮化鎵（GaN）快速充電器，才恍然大悟。化合物半導體有高功率密度，可大幅縮小產品體積，在高頻、高溫與高電壓的環境下，仍有極佳效能。在 5G、綠能與電動車市場驅動下，估計未來五年，化合物半導體產值將較 2020 年增加約 80%，是科技產業競逐的新戰場。
工研院產業科技國際策略發展所預估，2020 年全球化合物半導體產值大於 1000 億美元，占整體半導體產值約 18.6%，預估 2025 年將成長至 1,780 億美元，主要應用包括高階通訊、功率元件、光電應用等。美、日、歐等國已將化合物半導體列為軍事防衛及太空發展的重要材料，甚至成為出口管制的戰略物資，其重要性可見一斑。
矽作為半導體材料應用已有 60 年的歷史，因為容易取得及穩定性高，已發展至奈米級量產製程，具有不可取代的地位。隨著電動車、新能源、無線通訊等創新發展，電子控制及光電元件的耐受性必須更高，矽的物理特性無法承受高溫高電壓衝擊，半導體材料不再以「矽」一枝獨秀，漸次開發出第二代半導體的砷化鎵（GaAs）及磷化銦（InP），以及第三代的碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）。
工研院產科國際所研究總監鄭華琦分析，科技已進入遠距傳輸、人機互動、機器與機器溝通的時代，再加上國際間節能低碳排的要求，開啟了化合物半導體龐大市場需求，是深具潛力但尚未充份開發的領域。目前第三代半導體已證實具有市場潛力與價值的材料主要有兩種：GaN 及 SiC。
兩大應用領域：通訊及功率元件
鄭華琦指出，從應用面來看，化合物半導體在通訊元件及功率元件的發展機會最大。首先在通訊方面，愈來愈多 5G 通訊基地台的功率元件採用 GaN，使頻率在 24GHz 以上應用無虞。另外 5G 時代，在毫米波方面，能承受更高功率、減少更多耗損、且尺寸更小的第三代半導體，GaN 將成為未來 PA 材料的主流，未來手機終端的 RF 射頻、6G 通訊的太赫茲高頻通訊等，也都要仰賴化合物半導體。
其次在功率元件方面，目前 GaN 已應用於消費電子的功率元件，可縮小充電裝置的體積，縮短充電時間，例如手機、NB 等電子載具之快充，APPLE 將有可能採用 USB-C 方案並且支援 PD 快充；化合物半導體在車用電子的應用將最為廣泛，包括汽車的動力驅動系統、先進駕駛輔助與感知系統、車聯網通訊，電動車充電樁等，都少不了它。SiC 的散熱好，可承受高溫、高電壓及更嚴苛環境，主要建置於太陽能發電的功率調節器、數據中心的伺服器電源，以及軌道車及工業控制的電路系統。SiC 因獲特斯拉（Tesla）Model 3 率先用於馬達逆變器模組，因 SiC 晶圓取得不易，供應鏈積極搶進。
放眼全球合物半導體大廠，以 SiC 晶圓供應以美國大廠 Cree 為首，是具有上下游整合製造能力的整合元件製造商（IDM），在 SiC 之全球市占率高達六至七成。磊晶廠則以美國的 II-VI Incorporated 為代表；模組廠包括歐系的意法半導體（STM）、英飛凌（Infineon）、日本的 Rohm、三菱電機等。
技術門檻高 長晶及切磨是關鍵
鄭華琦分析，目前各國投入化合物半導體的廠商並不算多，主要是技術門檻高。其製程與矽半導體類似，同樣必須經歷晶球、晶圓切磨拋、元件製作、封裝、模組等階段；不過，化合物半導體是兩種以上的元素結合，必須考慮晶格及原子的匹配性，在晶球生長及晶圓加工的階段更為困難。以 SiC 為例，將碳與矽兩種材料進行高溫熔融，必須精準掌握兩大要件：高真空度及高溫均勻性；對照矽晶圓，因為熔融溫度較低，可長出的晶棒較大也較快，而碳化矽半導體的晶球製作不如矽晶棒，因此成本居高不下。
也因為這樣的技術門檻，臺灣在矽半導體的成功經驗不見得能完全複製。目前國內廠商參與化合物半導體仍以代工為主，包括：具備 6 吋矽基氮化鎵（GaN on Si）量產能力的嘉晶；矽半導體龍頭台積電，也早有投入 GaN on Si 半導體的製造；甚至如晶電的長晶品質穩定，已打入功率元件市場；另漢磊也已獲得車用化合物半導體元件驗證，並積極投入量產，茂矽、世界先進也都宣示投入化合物半導體的研發製造。
發展 IDM 能量 催生下游應用
鄭華琦指出，臺灣發展化合物半導體，具有兩大優勢，一是半導體供應鏈完整，已較其他國家更具優勢。二是車用零組件供應鏈發達，據悉 Tesla 電動車供應鏈之中，臺廠就占了七到八成，而車用電子是化合物半導體最快發酵的應用，無非是臺灣加值產業鏈連結之好機會。
鄭華琦建議，臺灣要建立化合物半導體的領先地位，可從整合製造的 IDM 模式著手。主要是化合物半導體的新製程，上下游具有高度相依興趣維持高品質和可靠度，例如長晶純度與晶圓切割損耗對於模組效能及成本至關重要。唯有充分掌握上下游所有環節，尤其是原料取得、長晶設備、切磨拋技術，才能打造高良率與高品質的產品，作為相關應用的良好基礎，進而催生豐富的產業生態系。
此外，中美貿易戰打亂全球供應鏈版圖，掌握自有技術是因應變局的不二法門，若能透過 IDM 練兵，從上到下建立屬於臺灣的化合物半導體核心技術，可以降低代工模式受牽制的風險，在新的半導體時代創造更高附加價值生態鏈。
轉載自《工業技術與資訊》月刊第 348 期 2021 年 1/2 月號，未經授權不得轉載。