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第三代半导体厂商全球争霸

发表时间:2021-03-24 09:08作者:飞捷士

第3代半导体是目前高科技领域最热门的话题,不只中国大陆想要这个技术,从欧洲、美国到中国台湾,所有人都在快速结盟,想在这个机会里分一杯羹。


过去30年,台积电、联电擅长制造的逻辑IC,基本上都是以硅做为材料。「硅基本上是一种相当全能的材料。」工研院产业科技国际策略发展所研究总监杨瑞临观察。


但硅也有一些弱点,如果用门做比喻,用硅做的半导体,就像是用木头做的木门,轻轻一拉就能打开(从绝缘变成导电)。


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市场刚起步谁能成为下个胜利者?


用第2代或第3代化合物半导体就像是铁门,甚至金库的大门,需要很大的力气,要施加大的电压,才能让半导体材料打开大门,让电子通过。因此,要处理高电压、高频讯号,或是在讯号的转换速度上,第3代半导体都优于传统的硅。


目前,坊间所称的第2代半导体,指的是砷化镓、磷化铟这两种半导体材料,「这是1980年代发展出来的技术。」拓墣产业研究院分析师王尊民说,现在所称的第3代半导体,指的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种材料,「这是2000年之后才开始投入市场的新技术」。


第3代半导体的市场还在起步阶段,「第2加第3代半导体占全球半导体市场的比率,不到1成,如果只看第3代半导体,也约只有1/100。」王尊民说。而根据工研院产科国际所统计,化合物功率半导体(即第2和第3代半导体)去年市场规模约298亿美元,但2025年会成长到361.7亿美元,2030年更可逾430亿美元,成长潜力大。


尤其,第3类半导体并不好做,以通讯晶片为例,要按照不同的通讯需求,选择不同的材料,在原子等级的尺度下精确排好,难度有如给你各种不同形状的石头,堆出一座稳固的高塔,谁能用这些材料,生产出更省电、性能更好的电晶体,就是这个市场的胜利者。


目前,第3代半导体有3个主要应用市场。第1,是将氮化镓材料用来制作5G、高频通讯的材料(简称RF GaN)。过去20年,许多人想用成熟的矽制程,做出可以用在5G高频通讯上的零组件,最有名的是高通在2013年推出的RF 360计划。当时,市场上的担心,高通这项新技术推出之时,就是生产通讯用化合物半导体制造商的「死期」,稳懋股价还曾因此重挫。


3个主要市场愈难做毛利愈高


结果,高通生产出来的硅芯片非常烫,完全没办法用在手机上;后来,连高通都回头跟稳懋下单。业界人士观察,通讯会愈来愈往高频发展,未来高频通讯芯片都是化合物半导体的天下,王尊民观察,这个领域也是化合物半导体制造毛利率最高的部分,像稳懋和宏捷科的毛利都在3~4成。


第2个市场,是用氮化镓制造电源转换器(简称Power GaN),这是目前最热门的领域。过去生产相关产品,最难的部分是取得碳化硅的基板,采访时,阳明交通大学国际半导体产业学院院长张翼拿出一片碳化硅基板给我们看,这一片6吋宽的圆片,要价高达8万元台币。


但近几年,市场上开始出现将氮化镓堆叠在硅基板上的技术(GaN on Si)。这种技术大幅降低化合物半导体的成本,用在生产处理数百伏特的电压转换,可以做到又小又省电。目前市面上已经可以看到,原本便当大小的笔电变压器,已经能做到只有饼干大小,OPPO、联想等公司,更积极要把这种技术内建在高档手机和笔电里。


3月1日,野村证券发表题为「A GaN Changer」的产业报告,认为未来2~3年,第3代半导体将重塑全球消费性电源市场,取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估,2023年,这个市场产值每年将以6成以上速度成长。张翼也认为,第3代半导体能源转换效率能达到95%以上,一旦被大幅采用,「中国台湾能省下一座核能电厂的电」。


重塑消费电源版图年成长上看6成


第3个市场则是碳化硅供电芯片(SiC)。碳化硅材料的特殊之处在于,如果要转换接近1000伏特以上的高电压,就只有碳化硅能做到这样的要求;换句话说,如果要用在高铁上,用在转换风力发电,或是推动大型的电动船、电动车,用碳化矽都能做得更有效率。


过去电动车都使用硅制成的IGBT电源转换芯片,但特斯拉Model 3首次采用意法半导体制造的碳化硅元件,为电动车转换电能。根据英飞凌提供的数据,同样一辆电动车,换上碳化矽晶片后,续航力能提高4%,由于电动车每1分电源都极为昂贵,各家车厂都积极布局碳化矽技术。英飞凌预期,到2025年,碳化硅芯片将占汽车电子功率元件两成。


2018年,日本罗姆半导体宣布,在2024年之前将增加碳化硅产能16倍。法国雷诺汽车也宣布,和意法半导体结盟,所需的碳化硅芯片由意法半导体独家供应。2019年,德国福斯集团跟美国Cree合作,由Cree独家和福斯合作发展碳化硅技术,同年Cree也宣布投资10亿美元,兴建巨型碳化硅工厂。所有人都已经看到,过去汽车是否省油,是由引擎决定,未来电动车要如何省电,则是由第3代半导体技术决定。


台积电在这个领域,早已发展多年,其他中国台湾公司是向欧洲技转,但台积电则是自己花钱,由最基础堆叠不同材料的磊晶技术开始研究。外界观察,台积电仍是以硅基板的化合物半导体为主,这种技术在通讯上应用有限,但在电动车等应用上相当有竞争力。根据台积电年报,台积电在硅基板氮化镓上,2020年已开发出150伏特和650伏特两种平台。台积电将因此搭上电动车第3代半导体的成长大潮。去年2月,意法半导体宣布和台积电合作,台积电已经为意法生产车用的化合物半导体硅片。


未来技术发展攸关电动车省电能力


事实上,在消费性电子用的电源转换芯片上,外资指出台积电从2014年开始就帮爱尔兰的IC设计公司Navitas代工生产。2021年,Navitas宣布,他们已经卖出了1300万个第3代半导体变压器,目前每个月出货量达到100万个,良率几乎是百分之百。由于Navitas在这个领域拥有5成市占率,也证明台积电早已悄悄靠第3代半导体在赚钱。


这种化合物半导体目前主要仍在六吋的设备上生产,但台积电的技术现在已能改用8吋设备生产,效率更高。这项技术发展成熟之后,台积电旧有的8吋厂,由于折旧早已完成,换上化合物半导体新应用,获利还会进一步提高。


世界先进因为拥有大量8吋的设备,也跟台积电采取相同的策略,大力发展矽基的氮化镓芯片制造技术,以提升附加价值。世界先进董事长方略受访时表示,正积极建立完整的氮化镓加工技术,除了前后段制程都自行完成,也会建立自己的晶圆薄化技术。


中美晶则是另一股积极投资第3代半导体的势力,除了去年底成为宏捷科最大股东,切入通讯用化合物半导体制造外,本刊采访得知,中美晶旗下环球晶第3代半导体基板技术也逐渐成形,但仍需克服良率和成本问题。


同时,中美晶也在悄悄整合资源,另一路布局切入车用第3代半导体市场。中美晶董事卢明光的长子卢建志,目前是茂矽董事。茂矽年报中揭露,茂矽正在积极发展氮化镓的快充技术。卢明光目前出任大同董事长,大同也有自制国产电动大巴电力系统的技术,本刊采访卢明光,他也是朋程董事长,卢明光表示,目前6吋的矽晶圆价格是20美元,6吋的碳化矽要1500美元,当碳化矽成本能降到750美元,车用碳化矽的MOSFET就有机会普及,他估计「大概还要5年以上」。


根据张翼观察,目前中国台湾在第3代半导体领域,是「制造强,两端弱」,做代工制造的公司很多,但有能力设计第3代半导体IC设计的公司却不多。高频电路设计需要数学、物理、电磁波理论基础,功率IC设计需机电(机械、电子、电机)整合背景,设计人才非常稀有。另外,中国台湾也需要突破基板制造的技术;例如,制造通讯IC需要绝缘碳化矽基板,如果中国台湾有能力自制基板,稳懋和宏捷科的发展会更为快速。


在发展第3代半导体上,不管中国台湾还是中国大陆,与欧美仍有不小的差距。名列全球前10大半导体厂英飞凌,高级经理高金萍接受本刊采访时表示,目前全球主流车厂电动车规格已往800伏特高压平台发展,意即对台厂来说较为困难的碳化矽将成主流。英飞凌发展碳化矽技术超过25年,已有20家车厂在使用及评估英飞凌的碳化矽产品。


高金萍指出,未来不只电动车需要第3代半导体,从提升太阳能发电效率,缩短电动车充电时间,到提高资料中心的用电效率,缩小行动装置电源体积,都用得上这项技术。


目前,中国大陆也拼命投资第3代半导体,如华为投资碳化矽磊晶公司瀚天天成;长期生产LED的三安光电,也因为使用的材料相近,发展受到瞩目。但业界人士透露,以三安光电为例,化合物半导体产能约为1500片,跟中国台湾稳懋、宏捷科数万片的产能相比,仍有不小差距。


第3代半导体是未来各地抢占电动车、新能源,甚至国防、太空优势,不能忽视的关键技术,谁在这个领域领先,谁就能在这个领域胜出,有机会成为下一个台积电。


文章内容原創:半导体行业观察


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