第三代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，所有人都在快速結盟，想在這個機會里分一杯羹。

 

過去30年，臺積電、聯電擅長制造的邏輯IC，基本上都是以硅做為材料。「硅基本上是一種相當全能的材料。」工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨觀察。

 

但硅也有一些弱點，如果用門做比喻，用硅做的半導體，就像是用木頭做的木門，輕輕一拉就能打開（從絕緣變成導電）。

 

 

用第二代或第三代化合物半導體就像是鐵門，甚至金庫的大門，需要很大的力氣，要施加大的電壓，才能讓半導體材料打開大門，讓電子通過。因此，要處理高電壓、高頻訊號，或是在訊號的轉換速度上，第三代半導體都優于傳統的硅。

 

目前，坊間所稱的第二代半導體，指的是砷化鎵、磷化銦這兩種半導體材料，「這是1980年代發展出來的技術。」TrendForce集邦咨詢旗下拓墣產業研究院分析師王尊民說，現在所稱的第三代半導體，指的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）這兩種材料，「這是2000年之后才開始投入市場的新技術」。

 

第三代半導體的市場還在起步階段，「第二加第三代半導體占全球半導體市場的比率，不到1成，如果只看第三代半導體，也約只有1/100。」王尊民說。而根據工研院產科國際所統計，化合物功率半導體（即第二和第三代半導體）去年市場規模約298億美元，但2025年會成長到361.7億美元，2030年更可逾430億美元，成長潛力大。

 

尤其，第三類半導體并不好做，以通訊晶片為例，要按照不同的通訊需求，選擇不同的材料，在原子等級的尺度下精確排好，難度有如給你各種不同形狀的石頭，堆出一座穩固的高塔，誰能用這些材料，生產出更省電、性能更好的電晶體，就是這個市場的勝利者。

 

目前，第三代半導體有3個主要應用市場。第1，是將氮化鎵材料用來制作5G、高頻通訊的材料（簡稱RF GaN）。過去20年，許多人想用成熟的硅制程，做出可以用在5G高頻通訊上的零組件，最有名的是高通在2013年推出的RF 360計劃。當時，市場上的擔心，高通這項新技術推出之時，就是生產通訊用化合物半導體制造商的「死期」，穩懋股價還曾因此重挫。

 

 

結果，高通生產出來的硅芯片非常燙，完全沒辦法用在手機上；后來，連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察，通訊會愈來愈往高頻發展，未來高頻通訊芯片都是化合物半導體的天下，王尊民觀察，這個領域也是化合物半導體制造毛利率最高的部分，像穩懋和宏捷科的毛利都在3~4成。

 

第2個市場，是用氮化鎵制造電源轉換器（簡稱Power GaN），這是目前最熱門的領域。過去生產相關產品，最難的部分是取得碳化硅的基板，采訪時，陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼拿出一片碳化硅基板給我們看，這一片6吋寬的圓片，要價高達8萬元臺幣。

 

但近幾年，市場上開始出現將氮化鎵堆疊在硅基板上的技術（GaN on Si）。這種技術大幅降低化合物半導體的成本，用在生產處理數百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。目前市面上已經可以看到，原本便當大小的筆電變壓器，已經能做到只有餅干大小，OPPO、聯想等公司，更積極要把這種技術內建在高檔手機和筆電里。

 

3月1日，野村證券發表題為「A GaN Changer」的產業報告，認為未來2~3年，第三代半導體將重塑全球消費性電源市場，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報告預估，2023年，這個市場產值每年將以6成以上速度成長。張翼也認為，第三代半導體能源轉換效率能達到95%以上，一旦被大幅采用，「中國臺灣能省下一座核能電廠的電」。

 

 

第3個市場則是碳化硅供電芯片（SiC）。碳化硅材料的特殊之處在于，如果要轉換接近1000伏特以上的高電壓，就只有碳化硅能做到這樣的要求；換句話說，如果要用在高鐵上，用在轉換風力發電，或是推動大型的電動船、電動車，用碳化硅都能做得更有效率。

 

過去電動車都使用硅制成的IGBT電源轉換芯片，但特斯拉Model 3首次采用意法半導體制造的碳化硅元件，為電動車轉換電能。根據英飛凌提供的數據，同樣一輛電動車，換上碳化硅晶片后，續航力能提高4%，由于電動車每1分電源都極為昂貴，各家車廠都積極布局碳化硅技術。英飛凌預期，到2025年，碳化硅芯片將占汽車電子功率元件兩成。

 

2018年，日本羅姆半導體宣布，在2024年之前將增加碳化硅產能16倍。法國雷諾汽車也宣布，和意法半導體結盟，所需的碳化硅芯片由意法半導體獨家供應。2019年，德國福斯集團跟美國Cree合作，由Cree獨家和福斯合作發展碳化硅技術，同年Cree也宣布投資10億美元，興建巨型碳化硅工廠。所有人都已經看到，過去汽車是否省油，是由引擎決定，未來電動車要如何省電，則是由第三代半導體技術決定。

 

臺積電在這個領域，早已發展多年，自己花錢，由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始研究。外界觀察，臺積電仍是以硅基板的化合物半導體為主，這種技術在通訊上應用有限，但在電動車等應用上相當有競爭力。根據臺積電年報，臺積電在硅基板氮化鎵上，2020年已開發出150伏特和650伏特兩種平臺。臺積電將因此搭上電動車第三代半導體的成長大潮。去年2月，意法半導體宣布和臺積電合作，臺積電已經為意法生產車用的化合物半導體硅片。

 

 

事實上，在消費性電子用的電源轉換芯片上，外資指出臺積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設計公司Navitas代工生產。2021年，Navitas宣布，他們已經賣出了1300萬個第三代半導體變壓器，目前每個月出貨量達到100萬個，良率幾乎是百分之百。由于Navitas在這個領域擁有5成市占率，也證明臺積電早已悄悄靠第三代半導體在賺錢。

 

這種化合物半導體目前主要仍在6寸的設備上生產，但臺積電的技術現在已能改用8寸設備生產，效率更高。這項技術發展成熟之后，臺積電舊有的8寸廠，由于折舊早已完成，換上化合物半導體新應用，獲利還會進一步提高。

 

世界先進因為擁有大量8寸的設備，也跟臺積電采取相同的策略，大力發展硅基的氮化鎵芯片制造技術，以提升附加價值。世界先進董事長方略受訪時表示，正積極建立完整的氮化鎵加工技術，除了前后段制程都自行完成，也會建立自己的晶圓薄化技術。

 

中美晶則是另一股積極投資第三代半導體的勢力，除了去年底成為宏捷科最大股東，切入通訊用化合物半導體制造外，本刊采訪得知，中美晶旗下環球晶第三代半導體基板技術也逐漸成形，但仍需克服良率和成本問題。

 

同時，中美晶也在悄悄整合資源，另一路布局切入車用第三代半導體市場。中美晶董事盧明光的長子盧建志，目前是茂矽董事。茂矽年報中揭露，茂矽正在積極發展氮化鎵的快充技術。盧明光目前出任大同董事長，大同也有自制國產電動大巴電力系統的技術，本刊采訪盧明光，他也是朋程董事長，盧明光表示，目前6寸的硅晶圓價格是20美元，6寸的碳化硅要1500美元，當碳化硅成本能降到750美元，車用碳化硅的MOSFET就有機會普及，他估計「大概還要5年以上」。

 

根據張翼觀察，目前 中國臺灣在第三代半導體領域，是「制造強，兩端弱」，做代工制造的公司很多，但有能力設計第三代半導體IC設計的公司卻不多。高頻電路設計需要數學、物理、電磁波理論基礎，功率IC設計需機電（機械、電子、電機）整合背景，設計人才非常稀有。另外， 中國臺灣也需要突破基板制造的技術；例如，制造通訊IC需要絕緣碳化硅基板，如果中國臺灣有能力自制基板，穩懋和宏捷科的發展會更為快速。

 

在發展第三代半導體上，不管中國臺灣還是中國大陸，與歐美仍有不小的差距。名列全球前10大半導體廠英飛凌，高級經理高金萍接受本刊采訪時表示，目前全球主流車廠電動車規格已往800伏特高壓平臺發展，意即對臺廠來說較為困難的碳化硅將成主流。英飛凌發展碳化硅技術超過25年，已有20家車廠在使用及評估英飛凌的碳化硅產品。

 

高金萍指出，未來不只電動車需要第三代半導體，從提升太陽能發電效率，縮短電動車充電時間，到提高資料中心的用電效率，縮小行動裝置電源體積，都用得上這項技術。

 

目前，中國大陸也拼命投資第三代半導體，如華為投資碳化硅磊晶公司瀚天天成；長期生產LED的三安光電，也因為使用的材料相近，發展受到矚目。但業界人士透露，以三安光電為例，化合物半導體產能約為1500片，跟中國臺灣穩懋、宏捷科數萬片的產能相比，仍有不小差距。

 

第三代半導體是未來各地搶占電動車、新能源，甚至國防、太空優勢，不能忽視的關鍵技術，誰在這個領域領先，誰就能在這個領域勝出，有機會成為下一個臺積電。