車用半導體已成全球企業與各國戰略布局關鍵，而積極投入第三類半導體材料與技術研發，將是決定台灣產業核心優勢的關鍵之役。
無庸置疑，電動車（Electric Vehicle）是這個世紀至今最具成長動力，且有潛力顛覆創新現有生態系的產業。早在2021年1月，美國電動車大廠特斯拉市值就超過包括豐田、福斯、通用、現代⋯⋯等十大汽車集團總值；而全球各科技大廠和傳統汽車廠也展開跨業合併與收購，布局交通行動服務（Mobility Service）、車載系統，以及零組件供應等不同戰略位置。
而鴻海集團以全球最大電子製造代工廠的優勢與視野，一方面在2020年號召成立「MIH電動車聯盟」，吸引全球超過2,000家企業投入，從材料、軟體、硬體到系統整合，打造車載系統研發平台；另一方面，也由鴻海研究院半導體研究所擔綱，聚焦於前沿基礎技術研發以及國際學術合作，提供強力支援。
第三代半導體與光達研發聚焦核心價值
鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中表示，半導體研究所在鴻海研究院諮詢委員、國立陽明交通大學前任校長張懋中的指導下，從2021年起進行與電動車相關的重要技術研發，一是被稱為自駕車眼睛、簡稱「光達」的感測器LIDAR（ Light Detection And Ranging），另一個關鍵技術則是第三代寬能隙半導體（Wide Band Gap, WBG）。
郭浩中指出，目前Level 2等級電動車所配備的先進駕駛輔助系統（ADAS, Advanced Driver Assistance Systems）是否可以順利運作的關鍵，在於內建的感測器。而隨著這幾年自駕功能等級的提升，車用感測器的主力從相機、紅外線、超音波、攝影機改變為毫米波雷達，而如果要達到Level 4等級，需要更高精密的感測器，勢必要採用光達與AI的結合。
光達除了能更精密偵測距離、位置和形狀之外，還可以透過向各個方向照射雷射，捕獲更大範圍的狀況，也就是視野會比現有的技術更寬廣。但在惡劣天候條件下，偵測能力同樣會受影響，且與目前最常用的毫米波雷達相比，成本相對昂貴許多，這些正是必須透過技術研發來突破的關鍵問題。
解決電動車產業發展三大痛點
另一個關鍵技術則是世界各國競相投入的兵家必爭之地：第三代半導體，或稱為化合物半導體。
鴻海研究院院長、鴻海科技集團董事長劉揚偉說明，目前電動車研發有三大痛點，分別是充電時間太長、電池續航力不足，以及售價太高。而要解決電池與成本過高的問題，都必須回到基礎問題，也就是半導體的效能與功能。
回過頭來看半導體的發展，過去依循摩爾定律的發展幾乎已到物理極致，鴻海研究院諮詢委員張懋中表示，要繼續維持半導體的成長，可以從效能擴張與異質功能整合著手，而效能與功能都可以從材料著手。
半導體材料演變，從第一代的矽、第二代的砷化鎵（GaAs）／磷化銦（InP）、演進到如今以氮化鎵（GaN）及碳化矽（SiC）為主的化合物半導體。第三代寬能隙半導體（Wide Band Gap, WBG）材料提升更高的操作電壓，產生更大的功率，並且降低能損，與矽元件相比，體積又可大幅縮小，正好符合電動車、5G通訊與再生能源等相關應用的需求，不僅大廠爭相投入，全球先進國家幾乎毫無例外，都將其視為發展戰略重點。
產學界投入碳化矽、氮化鎵元件研發
由於化合物半導體耐高壓、耐高溫的特性，「愈高壓愈能省電、充電速度變快，」郭浩中指出，這正好能夠解決電動車充電時間太長、電池續航力不足的問題，所以投入第三類半導體的研究與製造，將成為未來電動車市場的致勝關鍵。
根據全球市場研究機構TrendForce調查，2025年，全球碳化矽半導體元件市場規模將達33.9億美元（約940億台幣），其中新能源車相關應用約占61％。郭浩中從電動車最重要的「三電系統」分析，也就是電池模組、電驅系統以及電控，其中電驅系統就是功率半導體。若由成本結構來看，整台車當中，電池占比最高，約占三分之一至40％，半導體占30％，可見半導體的重要性。
而第三類半導體中最常被提及的碳化矽和氮化鎵元件，各有不同特性。與碳化矽比較，氮化鎵具有更高的介電強度和更高的電子遷移率，因此各項指標都大於碳化矽，顯示氮化鎵功率元件具有優異性能。所以利用氮化鎵材料作為電力電子元件的基板不僅限於學術界，許多微電子領域的大公司也在投資研究氮化鎵解決方案。
鴻海最大優勢，就是背後有龐大的出海口，從先進技術研發、產品設計與量產，再加上出海口，這條路打通，對台灣產業是非常大的機會。
有效降低成本可大幅加速商業化
以氮化鎵為材料的電力元件，市場規模從幾年前僅千萬美元，成長到2020年近140億美元，且在整體化合物半導體裝置占比已超過42%，預估 2025 年可達到181 億美元規模，複合年均成長率預估5.6%，前景十分令人看好。
從應用面來看，氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電，為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。
而氮化鎵當前最大的挑戰在於開發成本依然太高，透過學術跟產業界的互補結合，從氮化鎵晶體成長，到光學設備研發，再到能源及無線傳輸，都需要有更多創新應用上的突破。特別是，如果成功研發出降低氮化鎵元件成本的技術，將能夠大幅加速商業化應用的進程。
整體而言，隨著電動車產業的普及與發展，市場對高效能電源管理的需求將隨之成長，因此國際半導體大廠、晶圓廠、代工廠等無不積極投入第三類半導體相關產品及技術發展。郭浩中表示，鴻海最大優勢，就是背後有龐大的出海口，「從先進技術研發、產品設計與量產，再加上出海口，這條路打通，對台灣產業是非常大的機會。」
結合既有優勢布局新世代的關鍵契機
機會，來自於兩個方向。郭浩中指出，過去台灣汽車產業無法突圍而出，原因在於燃油車所需要的引擎、傳動軸等機械零件並非台灣企業強項，但是「電動車像是裝上輪子的手機，」挾著資通訊王國的經驗與強大製造能力，台灣已經先立於不敗之地。
再來，則是台灣長期累積第一類半導體的成功經驗，供應鏈完整且穩定，無論是製程、良率都很難被其他國家超越，若能將這樣的經驗快速移轉到第三類半導體的製造，將會比其他國家更快掌握優勢。
放眼長期發展，鴻海研究院已經與耶魯大學、香港城市大學與陽明交通大學合作，共同投入氮化鎵元件研發，並與工研院專案合作開發碳化矽模組。郭浩中說，若以電動車領域而言，等於從第三類半導體材料，到中下游的模組與整車都能做，進一步發展成為IDM（垂直整合製造廠），將使得電動車生態系發展更為完整，也是台灣半導體產業拉出下一條成長曲線的絕佳機會。
⊕本文選自鴻海研究院2021年鑑