5G世代來臨 開闢半導體產業新藍海

5G已被公認為接下來驅動半導體的主要動力。shutterstock

5G帶動各項應用發展，已被公認為接下來驅動半導體的主要動力。台灣半導體產業協會(TSIA)理事長、台積電董事長劉德音於日前的TSIA年會致詞時表示，5G、人工智慧(AI)及企業數位轉型的應用，可望成為半導體產業的新藍海。

根據台灣半導體產業協會(TSIA)統計，2020年台灣半導體產業總產值達新台幣3.2兆元(1,089億美元)，較2019年成長20.9%。拜新興用帶動所賜，預估2021年台灣IC產業產值將突破4兆元(1358億美元)，成長24.7％，創歷史新高。

另根據研究機構IDC統計，即便全球經濟深受疫情所苦，2020年全球半導體產業仍年增10.8%至4,640億美元，且預期2021年在5G手機、車用晶片帶動下，營收仍將加速成長12.5%，達5,220億美元。5G手機及車用晶片為2021 年推升半導體需求的主要來源，不過5G手機對於晶片需求更高，2021年手機晶片營收預估將成長二成以上，其中和5G手機相關的營收佔比將近三分之二。

追求元件耐受性 化合物半導體受青睞

5G風潮之下，化合物半導體的發展愈發受到矚目。綜觀半導體發展歷程，矽長期做為主流半導體材料，由於容易取得、穩定性高，目前已發展至奈米級量產製程，其第一代半導體地位不可撼動。

然而，5G、電動車、新能源等新興應用的出現，電子元件的耐受性必須更高，而矽的物理特性無法承受高溫、高壓衝擊，因此有了第二代半導體的砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP)，以及第三代的碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)的發揮空間。

簡而言之，與矽半導體相較，化合物半導體的特出之處在於高功率密度，可大幅縮小產品體積，以及在高頻、高溫與高電壓的環境下仍有極佳效能。

根據工研院產業科技國際策略發展所估計，2020年全球化合物半導體產值大於1,000億美元，佔整體半導體產值約18.6%，預估2025年將成長至1,780億美元。從應用面來看，化合物半導體在通訊元件及功率元件的發展機會最大。尤其在通訊方面，已有愈來愈多5G通訊基地台及毫米波裝置採用第三代半導體。

5G通訊具備大頻寬、高傳輸速率與低延遲時間的特性，在利用毫米波頻段取得更大傳輸頻寬時，也因毫米波的高傳輸損耗而對傳輸功率要求更高，而在5G通訊應用領域，GaN較高的功率密度與操作頻率，將可充分支援毫米波傳輸。

根據資策會MIC說明，GaN原是應藍光發光二極體的需求而被開發的材料，以藍寶石為基板，利用磊晶技術在上方形成GaN晶體薄層材料，在電流激發下可產生藍光到紫外線波長範圍的光。隨著磊晶技術成熟，GaN晶體被進一步應用於電子元件開發，成為功率電子元件的重要材料，而GaN高頻高電壓操作的特性，在通訊應用方面更具備優勢。

依照基板種類不同，GaN可分為GaN-on-Si、GaN-on-SiC與GaN-on-GaN三種。其中，台灣廠商由於長期投入矽基及三五族材料與製程發展，因此在GaN-on-Si磊晶與晶圓方面較有優勢。不過，化合物半導體的製程與矽半導體雖然類似，但是化合物半導體是兩種以上的元素結合，因此必須考慮晶格及原子的匹配性，長晶及切磨的難度更高。

5G推動 廠商積極布局化合物半導體

隨著5G通訊、電動車、能源轉換等終端應用快速成長，GaN及SiC等第三代化合物半導體市場進入成長爆發期。面對龐大商機，台積電、聯電、中美晶、漢民等業者早已布局多年。

台積電早於2015年已著手布建GaN on Si技術及產能，近年已進入量產階段。台積電研發資深處長段孝勤於2021年9月的SEMICON台灣線上論壇表示，台積電在化合物半導體領域專注在GaN相關開發，歷經長期的發展，GaN已逐漸開始被市場接受，預期未來十年將延展更多應用。他並提到台積電已開發GaN-on-Si技術應對功率與RF元件需求，磊晶代工廠也已發展出6吋 GaN-on-Si晶圓生產等。

台積電2021年已投入第二代GaN增強型高電子移動率電晶體(E-HEMT)量產，100V空乏型高電子移動率電晶體(D-HEMT)進入試產，並打進5G基地台模式供應鏈。

聯電旗下的聯穎光電，則是以6吋廠投入功率元件及砷化鎵(GaAs)晶圓代工，聯電目前並著手進行GaN on Si技術開發，聯穎會是主要生產基地，且未來考慮提供8吋晶圓代工。

應用起飛 廠商擴大投資GaN及SiC

漢民集團旗下漢磊及嘉晶在GaN及SiC布局多年有成，於日前法人說明會上，漢磊暨嘉晶董事長徐建華表示，2021年是第三代化合物半導體應用起飛元年，將積極擴產因應強勁需求。漢磊將在未來2∼3年投資0.8∼1.0億美元，增加6吋碳化矽(SiC)產能達5∼7倍，氮化鎵(GaN)月產能2022年倍增至2,000片。嘉晶預計將投入5,000萬美元擴產，將SiC基板產能擴增7∼8倍，GaN基板產能計劃提高2∼2.5倍。

中美晶集團旗下環球晶圓預計於年底達到月產5,000片6吋SiC磊晶基板、2,000片6吋GaN on Si磊晶基板，4吋GaN on SiC磊晶基板也已小量出貨，6吋GaN on SiC磊晶基板產能將在2022年開出。中美晶轉投資的宏捷科扮演晶圓代工角色，已投入GaN on Si及GaN on SiC技術開發及產能布建。

為擴大布局，中美晶日前並宣布將投資1,500萬美元(約新台幣4.17億元)，由子公司中美鑫投資股份有限公司參與GaN半導體先驅美商Transphorm私募，預計取得5.84%持股。中美晶強調，策略聯盟有助Transphorm擴大GaN磊晶片供應鏈，環球晶圓將成為Transphorm的GaN磊晶片供應商、增加Transphorm 產能。

整體而言，隨著5G等應用的日趨興盛，第三代化合物半導體成為未來世界的關鍵材料，其中GaN可用來製作5G、高頻通訊的材料，此外也可用來製造電源轉換器，GaN元件的市場規模將持續成長，商機潛力無窮。