化合物半導體:台灣再下一城池的新契機【半導體研究所】

2020年初開始的新冠疫情震盪全世界,讓半導體供應鏈的重要性浮出檯面。在電動車驅動產業典範轉移的此刻,化合物半導體的技術與應用更是備受矚目,全球已發展國家幾乎都將半導體視為未來五年的兵家必爭之地。為此,鴻海半導體研究所、國際半導體產業協會(SEMI)和陽明交通大學於2021年9月9日以「Compound Semiconductor in E-Vehicle」為題,共同舉辦NExT Forum,與大家一同思考半導體產業的下一步會怎麼發展?台積電以及台灣相關供應鏈如何維持優勢,避免被彎道超車?

本次論壇特別邀請2014年諾貝爾物理學獎得主天野浩(Amano Hiroshi)分享化合物半導體領域最新研究進展。同時也邀請英飛凌、意法半導體、台積公司、穩懋半導體等重量級嘉賓,共同討論化合物、車用半導體的創新應用與技術發展。而在論壇舉辦的同時,陽明交大、鴻海研究院已確定將持續在GaN HEMT及Lidar進行合作,在研發前沿技術、擴大國際合作的同時,也攜手台灣首創的產學創新研究學院,一起培育半導體產業人才。

轉化布局與思維將成為決勝關鍵

鴻海研究院諮詢委員、中研院院士暨陽明交大前校長張懋中博士指出,政府與產業界對於半導體下一步發展的思維及布局,會是決勝負關鍵。

台灣在矽基(silicon-based)半導體發展成就非凡,至今保持領先地位,然而矽在高功率和高頻設備中幾乎已達到理論上的性能極限,因此,接下來最被看好的是化合物半導體。張懋中強調,儘管電晶體密度愈來愈高,但是個別電晶體的效能(performance)並沒有更好。若想要突破,可從下面兩個方向努力。

首先是半導體效能的擴張(performance scaling),必須從材料著手。半導體材料已經從第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)/磷化銦(InP)、演進到第三代以氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)為主的化合物半導體(compound semiconductor)。材料的更換可以讓電晶體承受更高電壓、運算速度更強,有效提高個別電晶體的效能。

另一個方向則是從功能著手,一直以來,電晶體運算歸運算、發光歸發光,未來則是將不同功能整合在同一個元件裡,透過多合一元件支援更多功能應用。為了達到這樣的目標,半導體材料的異質整合也是重點之一,不同代的半導體材料可視其特質及需求整合在同一個元件上,「三代同堂」將成為可能的趨勢。

車用半導體台灣IC產業新機會

國際半導體產業協會(SEMI)全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸指出,由於電動車、5G、AIoT等新興應用的興起,化合物半導體已是近兩年的熱門話題。至2024年,SiC功率半導體市場將以30%年複合增長率成長;GaN功率器件市場的平均年複合成長率更高達70%,無論是從戰略或市場機會的角度,化合物半導體都將成為值得關注的焦點。

國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系李坤彥教授指出,過往電動車礙於價格、電池容量與充電速度等因素,發展速度緩慢。好消息是,近期新興的碳化矽(SiC)材料正有助於提升車子性能,應用至機電系統中則能降低車子的體積與重量。特斯拉(Tesla)Model 3就是全世界第一個使用碳化矽元件的電動車,使續航力及性能超越當時市面上的各家電動車,一炮而紅。

因發明藍色發光二極體(LED)獲頒諾貝爾物理學獎的名古屋大學教授天野浩( Amano Hiroshi)分析,在碳化矽、氮化鎵產品問世之後,誰能用更低的成本向終端產品製造商提供元件,克服價格偏高的挑戰將是關鍵。

氮化鎵也是寬能隙半導體的一種,是天野浩關注的研究重點之一。他指出在人口持續成長且消耗大量能源的現代社會,如何有效率提升能源轉換、減少能源浪費跟降低碳排放量,是全世界科學家關注的議題。

天野浩指出,若能以氮化鎵電晶體取代當前普及的矽電晶體,電力轉換的效率將會大幅提升。此外,氮化鎵技術也是無線傳輸的重要關鍵。除了物聯網的資訊傳輸之外,氮化鎵還能應用在無線電力傳輸,日常生活中的電器用品將不再需要接線充電,這項變革將徹底改變當前的生活方式。

氮化鎵元件擁有高轉換效率、小尺寸等優勢,在高功率應用中可以達到更大的節能效益,且能在更高溫的環境下運作,因此繼碳化矽之後,氮化鎵也成為功率半導體供應商積極發展的目標。

天野浩分析,隨著電動車愈來愈普及,市場對高效能電源管理的需求仍會不斷成長;而寬能隙半導體能為電源應用帶來十分顯著的好處,也讓國際功率半導體供應商,以及台灣晶圓廠、代工廠等業者積極投入相關產品及技術發展。

化合物半導體延續台灣影響

此刻,鴻海正積極展開化合物半導體研究與開發。鴻海S事業群總經理陳偉銘強調,鴻海無論是在供應鏈的上下游還是在國際上,都有一起做元件電路設計的夥伴,目標在台灣搭建出完整的供應鏈。DIGITIMES資深分析師兼副總監黃銘章也指出,若台灣能在車用化合物半導體領域逐步發展接近矽半導體的高度,將能夠在全球科技產業及經濟持續做出貢獻,延續台灣在半導體產業的影響力。

曹世綸強調,整個化合物半導體市場的機會與戰略可從應用及資本支出(capex)兩個角度來看。

首先是應用面,除了電動車會應用到許多功率半導體元件,對化合物半導體的應用提供了很大的發展機會。在資本資出方面,從SEMI的最新報告可以看到,從製造面的供給端來說,2021年有將近70億美元的capex投資,在整個化合物半導體晶圓廠的投資已經達到歷史新高。隨著市場需求,預估在2022年將有近85億美元的巨大投資。無論是應用面或資本支出都是成長趨勢。

台灣擁有從設計、製造、封裝、設備到材料,十分完整的半導體供應鏈;且在過去數十年中,在需要運用化合物半導體的LED產業也建立了很好的基礎。基於這些基礎,面對GaN、SiC兩種寬能隙新材料與技術的興起,企業該如何部署建構化合物半導體完整的生態鏈?

鴻海科技集團董事長、研究院院長劉揚偉認為,雖然台灣在ICT產業鏈擁有完整生態,但是電動車產業鏈仍未齊全。此刻,打造出台灣的電動車產業鏈是重中之重,而這也是鴻海研究院MIH平台的關鍵任務,要建構台灣電動車生態鏈,帶動相關產業發展。「現在一台電動車大概會用到60顆碳化矽(Silicon Carbide)功率元件,」劉揚偉解釋,一個六吋碳化矽的晶圓做不到500顆元件,約可供應8部車的材料,需求遠大於供給。如果能將Silicon-Based(矽基礎)供應鏈的經驗複製到SiC上,台灣在寬能隙半導體的發展將會再多一座護國神山

台灣的整體ICT產業鏈以往是由矽半導體所支撐,如果能在車用化合物半導體領域逐步發展接近矽半導體的高度,台灣將能夠在全球科技產業及經濟持續做出貢獻。

如何解決半導體人才不足的問題?

劉揚偉提到,當前電動車產業主要面對「充電時間太長」、「續航力不夠」與「價格比油車貴」這三大問題。為了協助客戶找尋可能的解方,鴻海在2021年買下了旺宏半導體六吋廠,透過新投資讓晶圓廠專注研發SiC,讓SiC成為重要解方。

此外,結合在福山的八吋廠,以及在馬來西亞策略合作的晶圓廠SilTerra,後續將瞄準Power、RF和CIS上的應用,期望解決電動車客戶產能的問題。而鴻海半導體研究所也將寬能隙半導體被列為主要研究項目之一,希望再創產業榮景。

歐美日等國皆相繼推出扶植半導體產業的具體政策,反觀台灣在2021年的半導體人才空缺已經超過28,000人,然而每屆的相關畢業生僅不到12,000人。劉揚偉強調,面對未來電動車產業的發展,台灣需要更多半導體人才,期許政府可以協助業界培育人才,無論是透過產學合作,或是在就業為導向的技職體系中培養基層技術人才,皆是可行的作法。

⊕本文選自於鴻海研究院2021年鑑

回到頂端