從1947年美國貝爾實驗室發明全球第一個晶體管開始，超過70個年頭以來，半導體產業已深深改變科技和文明的發展。臺積電業務開發資深副總經理張曉強，在2021年10月一場公開演講里指出：半導體是21世紀的空氣。

 

家電、手機等電子產品，乃至汽車和基礎建設應用，都有半導體零組件在其中。2020年初，新冠病毒（COVID-19）疫情襲擊全球至今，居家隔離帶動電子產品需求旺盛。

 

長期以來，半導體產業主要環繞著以硅（Si）和鍺（Ge）為關鍵材料的第一代半導體。世界半導體貿易統計組織（WSTS）公布數字也顯示，2021年全球半導體產值將達到5530億美元。

 

中國臺灣工研院產科國際所（IEK）研究總監楊瑞臨預估，2020年氮化鎵與碳化硅產值占所有半導體約0.3％，2025年將成長為0.6％，整體產值有逾9成都是由第一代半導體貢獻。

 

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高功率、高頻率優勢

構成電源、通訊產業新氣象

 

不同于第一代半導體是單一材料，合計占半導體總產值不到1成的第二代和第三代半導體，都是由2種（或2種以上）材料集結而成，又稱為化合物半導體（Compound Semiconductor）。

 

其中，第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主，由于速率快、低雜訊，是3D感測、光達、射頻（手機／基站）的主流材料，具高頻與高功率特性，幾乎所有手機里都有它。

 

至于第三代半導體材料，則以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為主，近年來在全球變暖效應促使低碳排放受到矚目，5G通訊技術趨于成熟，以及電動車、數據中心與能源應用的加速推進，需求正高速起飛。第三代半導體又稱寬間隙半導體（Wide Band Gap Semiconductors），但第三代并不能取代第一代或第二代，各類半導體皆有適用的應用領域。以氮化鎵和碳化硅為主的第三代半導體材料的優勢是，比起第一代和第二代半導體材料，能夠承受更高功率、高頻率（如毫米波），而且擁有極佳的散熱性能，因此可在特殊應用領域大展身手，例如電動車、低軌衛星、太陽能源等。

 

碳化硅在高功率、高電壓的元件上性能優異，能提供更高效率的電子轉換能力、帶來更好的節能效果，延長電動車電池的續航力，有機會部分取代原本以硅為基礎的功率元件。功率元件電子裝置的電能轉換與電路控制的核心；主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大等，應用于通訊、消費電子、新能源交通等。特別是特斯拉（Tesla）在2018年推出首款搭載碳化硅逆變器（SiC inverter）的電動車Model 3，更是掀起了汽車業對于第三代半導體的重視。

全球碳化硅基板龍頭Wolfspeed在投資日（Investor Day）簡報中提及，碳化硅逆變器可以讓汽車更輕、更小，節省5～10％的車輛空間，意味著能在車內放入更多顆電池，增加行駛的續航力。

 

目前包括通用汽車（GM）和福斯（Volkswagen），都宣布將在2022年新車款引入碳化硅相關技術。

 

與此同時，在碳中和與碳達峰的趨勢下，各國政策都支持綠色節能應用，這也成為第三代半導體需求攀升的助力。全球第一大氮化鎵功率元件商納微（Navitas）曾表示，氮化鎵的碳足跡比傳統硅基功率元件低10倍。業界估計，若全球數據中心都升級使用氮化鎵功率芯片元件，能源浪費將減少30～40％，相當于節省100兆瓦時（MWh）太陽能和1.25億噸二氧化碳排放量。

 

產業研究機構TrendForce預估，2020～2025年氮化鎵功率元件年均復合成長率（CAGR）高達78％，碳化硅功率元件年均復合成長率也有38％的增幅。

 

此外，盡管第三代半導體由于發展比第一代半導體晚，技術不夠成熟，加上部分材料取得不易，生產成本高于第一與第二代半導體，但近年來，由于產能提升、技術進步，使得碳化硅與硅的成本差距從5、6年前的10倍降低至2、3倍，采用率可望提升。

 

“第三代半導體的高峰期，會比預期來得更早，現在是需求驅動技術發展。”環球晶圓董事長徐秀蘭興奮地說，原本碳化硅8吋廠估計要到2025年才會登上主流，但現在各式應用快速發展，在客戶的催促和驅動下，可能提前至2023年發生。

 

過去受限于造價昂貴及耐高壓、高頻等特性，第三代半導體主要用于各國國防等領域，直到近年來，才因為技術進展、成本下降，而應用到工業、汽車與消費性電子產業。

 

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為維持國力

各國都將其列為“國安級”產業

雖然有日益普及化的趨勢，各國仍將第三代半導體視為“國安級”產業，列入重點保護，具體措施包括：頒布政策鼓勵投資，或是管制出口。

 

日本經濟產業省（METI）在2021年發布的“半導體戰略要點”中，除了鼓勵第三代半導體材料的創新之外，更領先全球宣布預先投入第四代半導體氧化鎵（Ga2O3）的研究，預計可用于更大的電力充電系統及其電網供應系統。

 

美國國家安全委員會（National Security Council，為國防授權法案成立的暫時組織，現應正名為美國人工智慧國家安全委員會NSCAI）則于2021年發布厚達752頁的《半導體總檢討報告》，在第13章里直接點名國家須重視氮化鎵研發的重要性，便是著眼于在通訊與國防應用。

 

2016年，德國半導體大廠英飛凌（Infineon）曾計劃以8.5億美元買下美國科銳（Cree）旗下的功率與射頻元件單位Wolfspeed，卻在歷經一年的審理后，遭美國政府否決，理由即是“保護國防工業”。

 

為維持國力，美、中、日、韓等國相繼推行第三代半導體政策，確保有技術自主性，日、韓更明確以“電力半導體”做為呼應碳中和的重要投入項目。各國都擁有品牌車廠、資通訊與電力電子產業，需上游第三代半導體企業支持，形成內循環的生態鏈，類似布局將在國際地緣政治的角力下將日益明顯。

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并購、合作、搶專利

大廠垂直整合策略保障產能

現階段來看，第三代半導體的主導權仍集中在歐、美、日大廠手中。即使如此，這些廠商也都面臨基板的生產量不足，碳化硅晶圓產能不足的考驗，因此，各國關鍵領導廠商無不透過并購、合作、取得專利的方式，設法垂直整合供應鏈上游。

 

日本羅姆半導體（ROHM）早在2009年，就收購歐洲最大碳化硅單晶晶圓制造商SiCrystal；瑞士意法半導體（ST）于2019年，收購瑞典碳化硅晶圓制造商Norstel；美國安森美（onsemi）則是在2021年，收購美國碳化硅和藍寶石晶圓供應商GTAT（GT Advanced Technologies），目的都是為了掌握足夠的碳化硅晶圓產能，或更加深化外延成長技術。

 

拓墣產業研究院分析師王尊民指出，第三代半導體基板居高不下的成本，一直是發展受限的主因，價格大概是傳統硅基板的5～20倍。

 

基板大廠如Wolfspeed和羅姆半導體已預計在2025年之前，分別投入10億美元、850億日元，大舉擴充產能；Qromis等公司，也預計于2022年量產8吋基板，有助于緩解供不應求現況，并逐步下調基板售價。

 

憑借著中國臺灣在全球半導體產業既有的主導地位，面對第三代半導體在國際上已有多家巨型垂直整合制造商（IDM，指包辦芯片從設計、制造到銷售的流程）各據一方，在這個領域屬于后進者的臺灣業者，能否建立在優勢的基礎上，再創佳績？

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中國臺灣廠商“打群架”

集團化搶進全球市場

楊瑞臨指出，“中國臺灣的廠商在第三代半導體的戰略上，多是以整合產業鏈的形式進攻。”目前，至少有5個集團從上中下游布局第三代半導體。

 

晶圓代工龍頭臺積電，已在氮化鎵功率元件上與愛爾蘭客戶納微合作，在出貨量上稱王，集團旗下世界先進也并進布局。

 

中美晶集團由基板的上游材料向下延伸，不僅投資環球晶發展基板能力，也斥資1,500萬美元投資美國高功率氮化鎵制造商Transphorm，同時入股宏捷科、朋程，以集團力量擴大供應鏈。

 

漢民集團從自身的半導體設備優勢出發，透過漢磊投控投資漢磊（代工）及嘉晶，進軍市場。

 

自動化設備廣運集團則是與子公司太陽能廠太極聯手，合資成立孫公司盛新材料。

 

鴻海集團在2021年9月正式成立鴻揚半導體，出手并購旺宏6吋廠，并宣布斥資37億新臺幣進駐竹科，成立碳化硅研發中心，并結盟業界伙伴創立MIH模組系統平臺，打造完整的電動車供應鏈。

 

針對涉足新材料的技術門檻，徐秀蘭樂觀看待，“原理都很像，都要結晶、機械加工及化學處理、拋光，只是每一站的流程跟參數都不同！”因此，有硅半導體經驗的工程師，做第三代半導體還是有優勢，“會有一些沖擊，但有流程環節可對應，較容易懂。”

 

無論從技術到應用，第三代半導體產業仍處于“起跑階段”，創造的產值相對于第一代半導體仍難比擬。對于市場的高度期待，或許正如臺積電董事長劉德音所言，有一部分想象確實有點“廣告效果”。

 

然而，當科技的演進帶動時代的基調，朝著高效能、綠能零碳的大方向走，未來我們除了需要持續仰仗硅芯片的運算力之外，更需要氮化鎵及碳化硅，在能源與通訊兩大領域，做出突破性的進展。

 

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全球第三代半導體分布圖

歐美手握關鍵原料，日本拓展下游設備

 

第三代半導體由于造價昂貴及耐高壓、高頻等特性，主要用于國防等領域，直到近年才因為技術進展、成本下降，應用到工業、汽車與消費性電子產業。

 

盤點各國第三代半導體版圖，歐、美包下了上游的材料基板、外延技術；而后段的設備及模組則是由日本所掌握。中國臺灣相對是后進者角色，正努力趕上國際大廠步伐。

 

1.美國

2.日本

3.中國臺灣