化合物半導體成新興戰場 台灣應掌握發展契機

台灣雖然已有不少產學研界投入化合物半導體發展並初具成效,更必須要與國際緊密介接。圖/中新社
台灣雖然已有不少產學研界投入化合物半導體發展並初具成效,更必須要與國際緊密介接。圖/中新社

文/楊瑞臨 工研院產業科技國際策略發展所研究總監

國際貿易角力和地緣政治影響,加以COVID-19疫情催化下,再度讓世人看到半導體對現今經濟社會的重要性。近年來半導體產業的一大發展趨勢,在於化合物材料的創新應用;包括GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)等第二代化合物半導體,以及GaN(氮化鎵)、SiC(碳化矽)等第三代的寬能隙材料,由於具備較高的功率密度,或是耐高溫、耐高壓等優異特性,並更適於感測、顯示與照明、電動車、通訊與資安、國防航太等多種用途,因此也愈受各相關產業重視。

國際研究諮詢機構Gartner預估,SiC的電晶體市場於2018至2024年的年複合成長率將高達27%;如以SiC基板搭配GaN磊晶的電晶體市場,同期的年複合成長率將達26%。反映出化合物半導體的應用發展正不斷擴大,同時在國際上也有眾多廠商、甚至是國家爭相投入布局,期能在未來的半導體產業中取得先機。

以CdTe(碲化鎘)以及ZnSe(硒化鋅)化合物半導體起家的美國II-VI公司為例,就運用購併擴展垂直和水平的供應鏈,延伸至第二代、乃至第三代寬能隙半導體產品,是全球第一家試製並發表8吋SiC基板的公司,甚至還自行開發SiC長晶等設備。其產品應用主要在於光通訊、光感測等領域,並積極擴展新興高頻無線通訊與高功率電力電子市場,像是與日本住友電氣合作應用6吋GaN-on-SiC晶圓開發5G通訊設備等,使得該公司能透過國際結盟等策略朝IDM(整合元件製造)廠的模式發展。

日本IDM廠ROHM半導體也是經購併上游的SiCrystal公司,切入SiC晶圓與元件市場,在2020年就推出第四代的MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)產品,並透過供應SiC晶圓予瑞士STMicroelectronics(意法半導體)、SiC元件予德國車電零組件製造商Vitesco Technologies等加深國際合作。而在全球SiC晶圓市占高達六成的美國Cree公司,除了在2021年完成出售LED部門、以專注第三代寬能隙半導體業務,並以供貨協定和技術保護來維持市占;同時計畫至2024年將SiC產能提高30倍,也為GaN高頻業務投資10億美元,還與多所學校合作、加強人才培育。

在重點推動半導體產業的國家,化合物半導體牽動了電力、資通訊等相關產業的發展,對於創造國內經濟循環更扮演重要角色。中國大陸自2011年「十二五規劃」就將SiC納為新材料產業,後續更提升為電力電子與第三代半導體產業的發展項目,政府補貼力道也不手軟,希望能擺脫矽基半導體受制於美國的情形;光是2020年中國大陸的SiC晶圓出貨量,就已占全球近9%,預期2025年將成長至16%。

日本及韓國對化合物半導體的推動也不遺餘力,將主力投注在B5G/6G基礎建設及電動車、再生能源等電力應用方向,甚至不約而同針對寬能隙化合物「Ga2O3」(氧化鎵)進行開發。在美國,近期除了美國人工智慧國家安全委員會(NSCAI)特別點名GaN材料及電晶體研發的重要性,另在美國半導體產業協會(SIA)的新任董事成員中,則有多位化合物半導體相關業者加入,顯然對美國半導體產業的影響也與日俱增。

然而,當半導體材料已從原先的矽擴展到更多元的化合物時,向來在全球半導體市場中占有領先地位的台灣,不論是新技術的建立、升級,或是供應鏈業者的營運模式,是否還能延續過去矽基的優勢和利基,就成為我們必須思考的關鍵議題。

從全球化合物半導體產業鏈發展的觀點,目前許多主要廠商都積極運用購併、擴大資本支出、增加研發預算和提升產學合作等,以建立新興化合物半導體的技術能量;在經營策略上也多採取國際供應鏈結盟合作的方式,甚至是配合國家政策的推動,以能串聯產業的上下游,並促進內循環經濟生態體系的形成、帶動擴大產業發展。

台灣雖然已有不少產學研界投入化合物半導體發展並初具成效,但要能夠進一步提升全球競爭優勢,建議必須要強化未來的規畫定位、發展藍圖等,並要能與國際緊密介接。比如國內多家業者都提到在化合物半導體的IC設計、製程設備,甚至是在市場拓展、人才培育等方面都還有待加強,才能夠補足產業鏈中的缺口,打造台灣新一代的半導體生態體系,開創未來「贏」的契機。

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