節能減碳、電動車、5G 通訊與高速運算已經成為未來十年的科技主流趨勢，氣候變遷與新冠疫情更加速了科技發展的腳步，人們對於「能源」、「感測」及「通訊」都有了更高的期待與要求，推動電源供應、感測器、通訊基地台與電源模組領域的另一波革新。
這意味著化合物半導體所扮演的角色越趨重要，傳統矽（Si）晶圓已經達到效能瓶頸，如果要在效能上進一步突破，必須引進新材料與製程技術，目前企業普遍聚焦於「碳化矽（SiC）」和「氮化鎵（GaN）」這兩項第三代寬能隙半導體（Wide Band Gap, WBG Semiconductor），它們擁有高功率及高切換頻率的特性，能打造出高能量密度、小體積兼顧穩定性的劃時代產品。
台灣在矽晶圓產業位居全球領導地位，第三代半導體領域無疑是另一個產業成長機會，為了推廣產業趨勢和整合資源，國際半導體產業協會（SEMI）舉辦功率暨光電半導體週線上論壇，廣邀各大頂尖企業共同交流，並探索合作機會，演講嘉賓包含應用材料（Applied Materials）、愛思強（AIXTRON）、宜普電源轉換（Efficient Power Conversion）、穩懋半導體（Win Semiconductors）、鴻海科技集團（Foxconn）、高平磊晶（IQE）、庫力索法（Kulicke & Soffa）、納微半導體（Navitas Semiconductor）、住程科技（SPTS Technologies）、意法半導體（STMicroelectronics）、台灣積體電路製造股份有限公司（TSMC）以及聯電（UMC）一同分享產業最新洞見。
▲功率暨光電半導體週線上論壇，邀請各大頂尖企業共同交流。左起為穩懋半導體策略長李宗鴻、經濟部技術處處長邱求慧
不只是業界，市場研究偕同學術機構也參與了本次線上論壇，包含 Yole Développement、工研院（ITRI）、電子時報（DIGITIMES）、以及台灣大學、陽明交通大學、中央大學、香港科技大學都提出對於第三代半導體的前瞻看法，說明產學界確實非常重視 SiC 與 GaN 技術的發展前景
台積電資深處長段孝勤從市場現況出發，開頭先介紹 BCD 平台的功率半導體特性，這類產品以0.18 和 0.13 微米成熟製程打造，具備高整合性、小體積及低功耗等優點，已經普遍用於車用與行動裝置中的電源管理晶片，但他也解釋經過十年的發展，新興材料正快速崛起，其中 GaN 與 SiC 是目前發展最為成熟、也是逐漸被市場接受的新興應用材料，但台積電選擇在 GaN 方面投入更多研發資源，他看好 GaN 不但體積更小，還能提供三倍以上的充電效率，在快充技術、資料中心、逆變器、48V DC/DC 電源供應以及電動車領域深具發展潛力。
▲台積電資深處長段孝勤從市場現況出發，看好GaN的發展潛力，選擇在GaN方面投入更多研發資源。
從產品組合的角度來看，SiC 與 GaN 彼此並不互相競爭，而是扮演著互補的角色，意法半導體處長周光祖指出 SiC 在高於 1,000 KW 功率和高電壓環境有很好的表現，例如電動車的逆變器，GaN 則是更適用於較低功率、但切換頻率超過 1 萬 Hz 的高頻應用，像是行動裝置快充或是 RF 射頻元件。
Yole Développement 研究機構總監 Claire Troadec 也為寬能隙半導體畫出發展藍圖，估計 GaN 市場 2021 年還規模不到 1 億美元，但隨著手機跟筆電廣泛採用 GaN 快充方案， 2026 年將快速成長至 10 億美元以上的規模；另外 SiC 市場的成長動力則來自電動車領域，2021 年 SiC 市場規模約 9 億美元，到了 2026 年預計超過 30 億美元。
SiC 在電動車領域已有卓越的應用出現，鴻海半導體S事業群總經理陳偉銘說明電動車的牽引馬達逆變器（Traction Inverter）傳統是使用 Si-IGBT 作為功率元件，但特斯拉 Model 3 卻採用了 SiC 作為功率元件，具備更好的能源轉換表現和散熱效率，相較傳統的矽材提升 3 倍的電壓與導熱性，名古屋大學教授 Hiroshi Amano 更分析 SiC 大幅度減少了逆變器 85% 重量及 50% 體積，允許車廠把空間留給最重要的電池，使 Model 3 不論性能、續航還是成本都有了大幅度改善。
Kulicke & Soffa集團執行副總裁張贊彬觀察到電動車的電源模組正從傳統 Si 轉移至 SiC，未來會有更多電動車採用 SiC 作為逆變器解決方案，另外像是充電樁、家用充電設備同樣會採用更多 SiC 電源模組。
另一方面，GaN 則為行動裝置、5G 基地台以及資料中心提供了理想的改善方案：Navitas Semiconductor技術長暨共同創辦人Dan Kinzer 分享他們成功在單個 GaN 元件中整合 MOSFET、驅動器與電源管理晶片，這種整合式晶片可以大幅縮小充電頭體積，充電速度還能提升 3 至 10 倍；GaN Systems 亞洲區總經理 Stephen Coates 也看中 GaN 在快充技術的優異特性，他表示 GaN 的應用潛力不只能用於傳統有線充電，在未來 WPT 2.0 標準的無線充電將可帶給消費者更快速、穩定且散熱極佳的高功率無線充電體驗，將會比現有的無線充電解決方案好用許多，讓未來行動裝置完全無線化成為可能。
除了電動車與行動裝置快充，第三代半導體也正為其他領域帶來革新，Efficient Power Conversion執行長 Alex Lidow 就在簡報中向觀眾展示由於人工智慧普及、5G 通訊及雲端服務的蓬勃發展，資料中心更看重能量密度的提升以達到更高的能源效率，以 eGaN 為基礎的 48V 方案不但體積減少一半，散熱設計也有所改善，還具備更高的轉換效率以滿足客戶高能量密度的需求。穩懋半導體副董事長王郁琦則看好 GaN 將在 5G RF 射頻元件中扮演重要的角色，可以實現更小體積、高切換頻率、高能量密度的產品規格，將在 5G 毫米波（mmWave）基地台和衛星相關應用有亮眼的表現。
▲穩懋半導體副董事長王郁琦看好 GaN 將在 5G RF 射頻元件中扮演重要的角色，可以實現更小體積、高切換頻率、高能量密度的產品規格
雖然前景看似光明，但兩者都面臨產能不足跟製造成本居高不下的挑戰，AIXTRON 行銷總監 Vincent Meric 透露 SiC 與 GaN 主流還是使用 6 吋晶圓製造，產能良率還有很大的進步空間，不只如此，SPTS 副總裁 Dave Thomas 更指出 SiC 晶圓硬度逼近鑽石，使得切割或刻蝕處理變得非常困難，成本也相當高，他也在論壇分享自家在 GaN 與 SiC 製程中的刻蝕、氧化以及沉積方案，能有助於 WBG 關鍵製程降低損失並提升良率。
為了解決產能和成本瓶頸，供應鏈正朝向 8 吋晶圓的方向發展，有助於減少成本並加速上市時間，聯電資深處長邱顯欽也贊同成本仍然是量產的關鍵因素，如果供應鏈預計從 6 吋規格擴展到 8 吋 GaN 晶圓，現行 8 吋 CMOS 廠房便可相容 80% 產線，假設未來市場需求快速成長，具有低成本優勢的 8 吋晶圓規格會是唯一選擇，IQE 總經理 Drew Nelson 甚至表示他們已經能供應 12 吋的 RF GaN 磊晶矽晶圓片，並適用現行 12 吋 CMOS 廠設備，能協助客戶快速整合產線並達成規模化。
應用材料半導體產品事業群ICAPS科技項目處長何文彬認為電動車牽引逆變器正擴大採用 SiC 作為功率元件，另外 GaN 成為行動快充裝置的主流方案，其中 GaN RF 高功率射頻元件在 5G 毫米波領域相當熱門，上述應用將驅動市場對於 SiC 與 GaN 需求快速成長。
▲感謝所有論壇贊助商：AIXTRON、ATECOM、GaN Systems、漢民科技、Kulicke & Soffa、金屬工業研究發展中心、SPTS Technologies、意法半導體、聯電
展望未來十年，電動車、行動裝置快充、5G 通訊以及雲端運算都會用到 SiC 及 GaN 兩種第三代半導體材料，目前整個產業還在早期階段，仍有許多良率、成本以及量產等難題必須克服，但可以確定的是未來電子產品對於能源需求會越來越高，功率半導體將扮演更加重要的角色。
全球半導體業者同樣看到了這塊商機，美、中、日韓等國家均在化合物半導體有所佈局， SEMI 自2017年即關注到化合物半導體的技術趨勢與市場需求，整合產、官、學、研各界資源成立 SEMI 功率暨化合物半導體委員會，致力於協助台灣的化合物半導體產業鏈自主，並整合上中下游廠商，進一步強化整體產業鏈生態系統、促進合作並且引進優秀的技術人才，全方位推動台灣產業發展。
SEMI即將舉辦SEMICON Taiwan 國際半導體展，為期三天的展覽將瞄準產業關鍵趨勢，鏈結台灣及全球化合物半導體產業鏈，邀請領導大廠，聚焦化合物半導體、EV、Powertrain、3D Sensing、LiDAR & Radar等關鍵技術藉此打造全台唯一化合物半導體特展；同時現場將打造領袖對談舞台，邀請業界專家同台探討寬能隙半導發展技術能量，台灣未來的機會與挑戰。期望能透過展覽打造跨產業鏈、跨領域交流平台，透過對話與交流，創造更多合作與商機，強化資源整合發揮綜效，加速推進技術及應用創新速度。
