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第三代半導體 台積電的機遇與挑戰

文/陳祈典■任職經濟部國際合作處

近來媒體披露台積電跨入第三代半導體訊息,台積電與IDM廠及IC設計業者合作,完成第一代矽基板氮化鎵(GaN on Si)技術平台,並將持續推進至第二代矽基板GaN技術平台,預計今年內完成。

第三代半導體屬於半導體領域的特殊製程(specialty),非主流市場,不過未來成長性看好。大家所熟知的矽(Si)是第一代半導體,第二代砷化鎵(GaAs)主要用於通訊射頻元件,第三代半導體,又稱「寬能隙半導體」,則以碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)為主,具有高頻、高功率、高電壓及耐高溫的特性,在5G、電動車、再生能源、工業4.0及航太發展中扮演不可或缺的角色。

「能隙」(Energy gap)指讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」,第一、二代半導體屬低能隙材料,施加一個小電壓即能迅速啟閉電源,數值分別為1.12 eV和1.43 eV,第三代半導體的能隙高,SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV,因此不會輕易從絕緣變成導電,特性更穩定,能源轉換效率也更好。

傳統的矽若運用於功率元件,因材料的物理特性已達極限,難以提升電量和速度,且一旦操作溫度超過100度也容易發生故障,難以符合未來世代高能效與低能耗的需求。新的第三代半導體則能符合需求,依據功率等於電壓乘以電流的公式,第三代半導體可以透過更高的操作電壓帶來更高的功率並降低能損,且其導熱快,體積也可大幅縮小,如特斯拉便導入許多車用SiC元件,GaN快充與變壓器也將逐漸成為家庭的標準配備。

台積電在第三代半導體領域一直保持鴨子滑水的低調態度,實際上產量已是業界最大。董事長劉德音曾評論「第三代半導體產值偏小,無法與矽基(silicon base)半導體相比」,儘管備受期待,但目前「有一部分是廣告效果」。確實,2020年SiC與GaN的產值只占所有半導體千分之三,預期將在2025年成長至42億美元,占千分之六,成長幅度雖高,但整體產值仍低,還低於台積電單月營收。

可預見化合物半導體將成為未來的重要趨勢,過往追求製程升級將面臨瓶頸,必須透過化合物的材料特性共同尋求產品效能的進一步提升。化合物領域像是一個無窮盡的寶庫,搭配不同的元素可能產生意想不到的結果,值得我們細細尋求。劉德音董事長預測未來50年可能會以VR/AR作為世界互動的主要方式,但前提是VR/AR裝置的技術必須提升100倍以上,「這只能透過半導體的進步來實現」,他說。

另外為了回應地緣政治壓力並加強與當地客戶聯繫,台積電也決定到美、日設廠,但承諾將維持長期毛利率在53%水準。在第三代半導體領域,因GaN有缺陷必須放置於Si基板上,台積電即是採用此技術代工,長期更被看好的碳化矽基氮化鎵(GaN on SiC)性能更加優異,惟目前面臨碳化矽基板嚴重缺貨。

「過去的50年裡,半導體技術發展就像是在隧道裡行走,前進的道路很明確,就是縮小電晶體」,劉德音近期投書美國商業雜誌Fortune表示,「而現在我們正接近隧道的出口,隧道之外有更多的可能性,從材料到架構的創新都會使新的路徑成為可能,並定義新的目的地,我們不再受隧道限制,擁有無限的創新空間。」展望未來,半導體的舞台越大,但面臨的挑戰也將更艱鉅。

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