臺灣化合物半導體的贏者策略

臺灣化合物半導體的贏者策略

氮化鎵(GaN)射頻元件市場預估

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電動車、5G、再生能源等新興應用快速普及,功率及電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展,不僅大廠爭相投入,各國也將其視爲國家戰略重點。

半導體材料的發展,已從矽、砷化鎵(GaAs)/磷化銦(InP)、演進到以氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)爲主的化合物半導體。研究機構Allied Market Research指出,光是以GaN爲材料的電力元件,市場規模就從幾年前僅千萬美元之譜,成長到2020年的上億美元;2027年更將來到10億美元。以整體化合物半導體市場來看,估計2024年產值將達530億美元,年複合成長率爲7.3%,高於矽基半導體的2.5%。

工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨指出,打造化合物半導體的產業競爭力,必須先從產業面及國際面來檢視,以此找出臺灣的定位。目前SiC國際大廠透過自主研發、併購、上下游結盟等方式,打造整合元件製造(Integrated Device Manufacturer;IDM)的一條龍模式;而美、歐、日、韓、中等主要國家,也將化合物半導體視爲國家戰略的重點項目。

美商貳陸經驗 可供借鏡

未來三到五年,最被看好的化合物半導體爲SiC高功率元件以及氮化鎵高頻元件(GaN-on-SiC),全球SiC基板(substrate)三大龍頭業者分別爲Cree、Rohm(SiCrystal)以及II-VI,策略及強項各有不同。

美國雷射光學元件設計製造商貳陸公司(II-VI)是全球率先發表8吋SiC基板的廠商,過去三年透過併購、結盟,實現了供應鏈整合,併成功擴展市場。II-VI前(2019)年收購光通訊以及iPhone臉部辨識技術供應商菲尼薩(Finisar),營收出現爆炸性成長,也串接垂直供應鏈,與日本住友電氣合作開發5G應用的6吋GaN-on-SiC晶圓、爲歐盟的「展望2020」計劃(Horizon 2020)供應實驗用SiC基板、並取得美國奇異(GE)集團授權,進入SiC功率元件的製造。

楊瑞臨指出,「II-VI最值得臺灣借鏡之處,是它以碲化鎘(CdTe)以及硒化鋅(ZnSe)化合物半導體起家,成功跨足新一代化合物半導體」;臺灣產業同樣擁有不少化合物半導體的能量,參考II-VI的發展軌跡,有助於打造最佳策略。

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另一大廠Rohm於2009年即收購碳化矽元件廠商SiCrystal,在高功率元件及模組技術相對領先,目前已推出第四代SiC MOSFET。SiCrystal母公司羅姆集團(Rohm)原本就擁有廣大的出海口,包括日系車廠及重工業製造商,近年更在國際上加速結盟,尋找更多終端應用商機,例如與電動車動力系統廠Vitesco Technologies合作,提供800V逆變器的SiC功率元件。

美國大廠科銳(Cree)全球SiC晶圓排名第一,市佔高達六成,被認爲可最快達成8吋晶圓量產。楊瑞臨分析,「Cree積極推動產學合作,很值得國內參考,它在美國紐約州及北卡羅萊納州有許多學校支持;化合物半導體材料及設備的發展,最需要產學合作的長期投入。」Cree的策略不止是供應晶圓,也朝下游功率元件發展。該公司已經與美國ON Semiconductor、歐洲英飛凌(Infineon)及意法半導體(ST)等大廠簽訂SiC晶圓供應協定;在功率元件方面也直接與一線大廠供應商Delphi Technologies、ABB等合作。

美國安報告 談GaN重要性

觀察各國科技發展政策,也可發現化合物半導體的地位益形重要。中國在十四五規劃中提高SiC位階,列入第三代「半導體產業」。目前中國SiC全球市佔率尚低,但SiC設備已有自制自研能量,由於內需龐大,未來潛力不容小覷。

日本政府在第六代行動通訊(6G)重要藍圖中,將化合物半導體納入重點項目,以滿足未來超低功耗的需求。楊瑞臨指出,「5G資料中心與網路,耗能都相當可觀,更何況是6G,因此日本政府積極從上游材料尋求解決方案,除了SiC之外,GaN、三氧化二鎵(Ga2O3)都是材料技術選項。」

南韓新一代半導體政策有三大發展重點:一是確保電力半導體的競爭力,在初期階段即加以培育;二是開發以SiC、GaN、Ga2O3三大寬能隙材料爲基礎的新一代化合物半導體,打造從元件、模組到系統的綜合價值鏈;三是建立認證及人才培育能量,以支持供應鏈發展。

美國則在國家安全委員會報告中,直接點名GaN的重要性。此外,從美國半導體產業協會(SIA)新任理事名單,也可看出化合物半導體備受重視,包括Qorvo、Cree、Analog Device等大廠都名列其中。

儘管面對國際大廠來勢洶洶,加上各國政策支持,臺灣在化合物半導體的發展,仍有許多優勢利基。首先是政策目標明確,行政院將於2022年設置化合物半導體科專計劃,預計2025年達成兩大目標:一是8吋SiC長晶及磊晶設備自主、8吋SiC晶圓製程關鍵設備與材料源自主;二是完備在地供應鏈,除經濟部工業局、技術處與科技部均有相應計劃,工研院鏈結產官學研戰略佈局「南方雨林計劃」,催生化合物半導體的在地能量,帶動產業聚落的發展。

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(摘錄自《工業技術與資訊》)

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