由科技新報主辦、TrendForce 協辦的「產能再提升，第三類半導體前景無限」研討會於 3 月 24 日（五）於台大醫院國際會議中心舉行。會中邀請來自產官學研等領域的第三類半導體專家，共同探討這類熱門材料在低損耗、耐高溫、高壓、高頻及高功率元件的實際生產現況，以及在 5G 通訊、電動車、資料中心、3C 快充及 AI 等領域的應用前景。
比起第一、第二類半導體，以碳化矽（SiC）及氮化鎵（GaN）為首的第三類半導體因為能在高溫、高壓、高頻及高功率應用領域中展現無與倫比的低功耗及高可靠性優勢，因此受到自動車、通訊、消費性及資料中心等產業的高度重視與興趣。
身為全球最重要半導體生產基地的台灣，為了延續今後在全球半導體的影響力並為今後經濟發展灌注新動能，自然會全力推動第三類半導體相關技術與元件的研發與量產。在過去豐富的半導體工藝製程的基礎下，台灣擁有一定程度的第三類半導體發展實力。
TrendForce 調研運營中心營運長張小彪表示，雖然在 COVID-19 疫情與俄烏戰爭先後交互的衝擊下，更進一步加劇全球通貨膨脹，但全球在面臨氣候變遷及能源危機之際，也在節能減碳上找到新的發展機遇。一時之間，汽車電動化、再生能源基建、智慧城市乃至人工智慧便成為各國接下來 10 年的發展重點，同時也為第三類半導體的隆重登場，提供成為市場新主角的舞台及場域。
車用成為 SIC/GaN 火熱交戰區，IDM + 代工全力衝產能
工研院電光所微型光學元件與系統應用組組長方彥翔指出，化合物半導體具備高速、高頻、耐高壓等光電轉換的三高優異特性，可滿足 6G 通訊、電源快充系統需求，並支撐元宇宙、電動車、虛實整合等產業蓬勃發展。
整體而言，第三類半導體適用於高頻及高功率的應用場景，其中 SiC 是製造適用再生能源及車用領域大功率元件的首選材料，至於資料中心、通訊及消費性領域等高頻率場景則是 GaN 最擅勝場之處。
目前車用成為這兩大第三類半導體的交戰區，但現階段 SiC 市占率遠勝 GaN，預估 2022 年至 2026 年，SiC 功率元件的年複合成長率達到 35%，2026 年市場規模達到 53.4 億美元。Onsemi 產品經理陳建名指出，當前電動化車款主要聚焦在 SiC 相關應用上，進而改善整體牽引系統效率、提升 OBC 及 DC/DC 轉換器額定功率及效率。反觀 GaN，隨著未來車廠全面佈局 800V 快充系統，GaN 將會在高功率、高頻 OBC 車載充電器上展現最佳優勢。
目前 SiC 功率元件仍以 6 吋為主流，其中基板占比就高達 49%，當前 Ga-on-SiC 射頻元件及 SiC 功率元件都會用到 SiC 基板，因而實際掌握了產業核心話語權，其次為磊晶（23%）、晶片製程（20%）及封測（8%）。
當前許多廠商試圖從創新長晶方式，以及晶圖切割、抛光及表面處理等高效率基板加工技術，乃至 8 吋擴產等多種途來降低 SiC 基板的成本。其中 Wolfspeed 是第一家試產及擴大生產 8 吋 SiC 基板的廠商，至於意法半導體、羅姆及天科合達也有計畫在今年擴大投產。
▲ 掌握產業話語權 SiC 基板元件類別及 Player。（Source：TrendForce）
再就 GaN 而言，英諾賽科台灣區高級總監林哲宇博士分折指出，比起 Si，GaN 在相同的崩潰電壓下，具備更低電阻、更高切換頻率及更佳散熱等效益，成為今後更高效率及更小尺寸元件的首選材料。
目前 GaN 功率元件包括 GaN-on-Si、GaN-on-Sapphire 及 GaN-on-GaN，其中以 GaN-on-Si 為大宗，在射頻元件上包括 GaN-on-SiC、GaN-on-Si 及 GaN-on-Diamond，市場上以 GaN-on-SiC 為主。預估 2022 到 2026 年 GaN 功率元件的年複合成長率達到 57%，2026 年市場規模可達 17.7 億美元。
林哲宇表示，產能將是今後 GaN 新技術、新元件及新市場的發展關鍵。目前市場朝向 8 吋 GaN-on-Si 量產發展的關鍵挑戰，集中在 GaN 磊晶、蝕刻、表面鈍化層以及在線/離線監控等方面上。
▲ 8 吋 GaN-on-Si 量產關鍵挑戰。（Source：英諾賽科）
整體上，目前 GaN 功率元件首先在消費電子市場（充電頭）放量，並逐步朝向資料中心/通訊電源供應器、可再生能源微型逆變器以及汽車 OBC 及 DC-DC 轉換器等應用場景擴展。
▲ GaN 功元件逐步擴展之應用場景。（Source：TrendForce）
針對第三類半導體的市場前景發展，集邦科技分析師曾冠瑋指出，其會朝向 8 吋晶圓發展，進而有助整體市場的穩建成長。汽車電動化和智慧化趨勢將推動第三類半導體功率元件大規模搭載上車應用。此外，能源設施對第三類半導體的需求亦逐步提高。
各家使出混身解數，突破良率、降低成本、力拚 6 吋轉 8 吋
目前 SiC 功率元件主要廠商包括美國 Wolfspeed（掌握全球 6 成市占率）、Coherent（已被 II-VI 收購）及 On Semi、日本羅姆、中國天科合達及山東天岳、台灣環球晶、穩晟材料及盛新等。
目前 GaN-on-Si 功率元件主要廠商包括 Transphorm、GaN Systems（已被英飛凌收購）、宜普電源轉換、Navitas；英諾賽科及 Nexperia 等等。至於 GaN-on-SiC 射頻元件的主要廠商則包括住友電工、Qorvo、恩智浦及 Wolfspeed 等。台積電是當前全球最大 GaN 晶圓代工廠。
此外，有鑑於垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）成為紅外線（IR）光電領域成長最快的科技之一，工研院以系統應用帶動元件發展，進行藍綠光 GaN VCSEL 開發，並搭配 AR 眼鏡系統商進行驗證，為台灣建立完善產業鏈。除此之外，工研院並打造適用 GaN HEMT、VCSEL 及 UVC LED 光電磊晶元件整合驗證服務平台。
▲ 光電磊晶元件整合驗證服務平台。（Source：工研院）
針對英諾賽科的核心優勢，林哲宇表示，該公司是當前全球第一個 8 吋 GaN-on-Si 量產 IDM 商，並祭出每月生產 7 萬片 8 吋晶圓的全球最大 GaN-on-Si 量產計畫，預計在不久的未來，能實現大幅成本降低的目標。
陳建名表示，Onsemi EliteSiC 碳化矽系列產品是該公司全新第三代 SiC 產品，擁有高溫操作最佳化、改善了針對高頻高效率應用的寄生電容，以及支援最低導通電阻之大尺寸晶粒等效益。該公司藉由該產品徹底展現從基板到系統的市場領先地位，如今該公司晶圓代工已準備從 6 吋移轉到 8 吋的準備。
GaN Systems 副總裁莊淵棋指出，透過在東京車展上與 Toyota 共同展出「全氮化鎵汽車」，GaN Systems 能夠有效降低逆變器物之料清單成本達 8%，同提升 1.7 倍的功率密度。
目前該公司致力研發的 3 階層 GaN 拓樸設計能為 800V 電池系統帶來許多好處，包括更好的電子效能及更小尺寸等優勢。和 2 階層 SiC 相比，3 階層 GaN 縮減系統體積達 26%，並降低 15% 的物料清單成本。此外，GaN 也成為高階音響提升顯著效能的最佳選擇。
莊淵棋並強調道，針對資料中心電源供應器，目前只有 GaN-based 電源供應器能到 80 Plus 鈦金等級效率，以及高達 80W/in3 以上的功率密度。總之，透過 GaN，資料中心可以支援更多伺服器及更大每機架儲存容量。
氣態分子微污染物（AMC）一直是影響半導體晶圓製造及代工良率的重要因素之一，有鑑於此，IDM、Fab 及 Foudry 莫不積極佈建有效過濾 AMC 的化學濾網解決方案。身為全方位微污染解決方案商的鈺祥企業，致力生產能有效過濾尺寸只有 0.3～1.5 奈米之氣態分子微污染物（AMC）的化學濾網。目前該公司化學濾網在半導體產業市占率超過 50%。
▲ 無塵室空調及濾網部署。（Source：鈺祥企業）
鈺祥企業董事長暨總經理莊士杰表示，僅僅 5～25 個氣體分子沉積就能占滿 7 奈米線寬。不同 AMC 會對半導體造成不同影響，例如酸性物質會造成金屬線腐蝕，鹼性物質會形成「T-top」現象。該公司能無塵室提供包括濾網牆、外氣空調箱、濾網風機組及製程機台風機組等空調及濾網部署作業，進而為台灣半導體產業的發展貢獻一己心力。
（首圖來源：科技新報）
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