第三代半導體 台積電的機遇與挑戰

近來媒體披露台積電跨入第三代半導體訊息，台積電與IDM廠及IC設計業者合作，完成第一代矽基板氮化鎵（GaN on Si）技術平台，並將持續推進至第二代矽基板GaN技術平台，預計今年內完成。

　第三代半導體屬於半導體領域的特殊製程（specialty），非主流市場，不過未來成長性看好。大家所熟知的矽（Si）是第一代半導體，第二代砷化鎵（GaAs）主要用於通訊射頻元件，第三代半導體，又稱「寬能隙半導體」，則以碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）為主，具有高頻、高功率、高電壓及耐高溫的特性，在5G、電動車、再生能源、工業4.0及航太發展中扮演不可或缺的角色。

　「能隙」（Energy gap）指讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」，第一、二代半導體屬低能隙材料，施加一個小電壓即能迅速啟閉電源，數值分別為1.12 eV和1.43 eV，第三代半導體的能隙高，SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV，因此不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換效率也更好。

　傳統的矽若運用於功率元件，因材料的物理特性已達極限，難以提升電量和速度，且一旦操作溫度超過100度也容易發生故障，難以符合未來世代高能效與低能耗的需求。新的第三代半導體則能符合需求，依據功率等於電壓乘以電流的公式，第三代半導體可以透過更高的操作電壓帶來更高的功率並降低能損，且其導熱快，體積也可大幅縮小，如特斯拉便導入許多車用SiC元件，GaN快充與變壓器也將逐漸成為家庭的標準配備。

　台積電在第三代半導體領域一直保持鴨子滑水的低調態度，實際上產量已是業界最大。董事長劉德音曾評論「第三代半導體產值偏小，無法與矽基（silicon base）半導體相比」，儘管備受期待，但目前「有一部分是廣告效果」。確實，2020年SiC與GaN的產值只占所有半導體千分之三，預期將在2025年成長至42億美元，占千分之六，成長幅度雖高，但整體產值仍低，還低於台積電單月營收。

　可預見化合物半導體將成為未來的重要趨勢，過往追求製程升級將面臨瓶頸，必須透過化合物的材料特性共同尋求產品效能的進一步提升。化合物領域像是一個無窮盡的寶庫，搭配不同的元素可能產生意想不到的結果，值得我們細細尋求。劉德音董事長預測未來50年可能會以VR/AR作為世界互動的主要方式，但前提是VR/AR裝置的技術必須提升100倍以上，「這只能透過半導體的進步來實現」，他說。

　另外為了回應地緣政治壓力並加強與當地客戶聯繫，台積電也決定到美、日設廠，但承諾將維持長期毛利率在53％水準。在第三代半導體領域，因GaN有缺陷必須放置於Si基板上，台積電即是採用此技術代工，長期更被看好的碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）性能更加優異，惟目前面臨碳化矽基板嚴重缺貨。

　「過去的50年裡，半導體技術發展就像是在隧道裡行走，前進的道路很明確，就是縮小電晶體」，劉德音近期投書美國商業雜誌Fortune表示，「而現在我們正接近隧道的出口，隧道之外有更多的可能性，從材料到架構的創新都會使新的路徑成為可能，並定義新的目的地，我們不再受隧道限制，擁有無限的創新空間。」展望未來，半導體的舞台越大，但面臨的挑戰也將更艱鉅。