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崛起中的中國第三類半導體產業

隨著產能逐漸開出,以及中國在電動車的強勁需求,預估中國碳化矽基板的全球市佔率,很快會超越5成。

不久前我請教台灣一位長期投入碳化矽(SiC)元件開發的教授,我問他,你使用過不同廠商的基板,哪一家的表現最好?

因為碳化矽基板佔其製作好晶圓成本的一半以上,而且又是技術難度最高的部分。他莞爾地對我說,要說實話嗎?他的結論是中國的表現最好,而且價格最具有競爭力,台灣生產的及美國的次之,美國廠商因為是IDM,最好的基板大都留給自家用。

幾個月前有2則新聞吸引我的注意,一則是德國英飛凌(Infineon)與中國的山東天岳、北京的天科合達,簽訂碳化矽基板長期採購合約,現階段供應6吋晶圓,而未來將是8吋。2家公司是目前中國碳化矽基板的主要供應商。

另一則新聞是歐洲的意法半導體(STM)與廈門的三安光電,計劃在重慶建1座8吋碳化矽晶圓廠,劍指中國蓬勃發展中的電動車產業。三安也規劃自建1座8吋碳化矽基板的生產基地。

英飛凌與意法,佔碳化矽元件及模組全球市場50%以上比例,而意法更是率先在2018年供應Tesla Model 3碳化矽元件,此舉正式引爆碳化矽風潮。

目前全球碳化矽基板的需求量每年約50萬片,以6吋為主流,七成以上由美國的2家廠商所供應。中國市佔率大概10%,但是隨著產能逐漸開出,以及中國在電動車的強勁需求,預估中國碳化矽基板的全球市佔率,很快會超越5成。

現在碳化矽產業目光的焦點在於8吋晶圓開發,傳統6吋以下的成長單晶柱(ingot)的方法,是使用蒸氣的昇華法,將6吋的seed wafer置於上端,利用高溫爐內材料的蒸氣附著於上端晶圓的表面,而得以成長晶柱。

此方法最大缺點,乃晶柱成長速度慢且晶柱長不厚,若運用此法在成長8吋的基板,將更形捉襟見肘。

上述中國的2家供應商已開始使用新的液態成長法,來成長碳化矽8吋晶柱。此法較接近一般矽晶圓的晶柱成長,在上端可以使用較小尺寸的seed wafer來成長8吋的晶柱,由於不需要到氣態,成長的溫度也可以較低,同時速率較快,晶柱也可以厚些。

但是液態成長法需處理液態材料與固態晶柱的介面,在溫度梯度的控制要非常精準,這恐怕不是一般商用爐子能做到的。因此推論中國供應商已經具有自建精確溫度控制爐子的能力,事實上一家產能夠規模的碳化矽基板廠商,是需要上千台的高溫長晶爐,因此自建高溫爐是必要的選項,這方面中國的供應商是做到了。

我們再來談另一個第三類半導體氮化鎵(GaN)。不久前的一則新聞,美國一家氮化鎵元件主要供應商EPC,向美國聯邦法院及國際貿易委員會(ITC),控告中國的英諾賽科侵害其在氮化鎵元件的專利。

事實上英諾賽科從2023年第1季開始,其在氮化鎵元件的營收已經躍居全球首位,其在珠海及蘇州各有1座8吋氮化鎵專屬的晶圓廠,以及超過20部有機金屬化學氣相沉澱設備(MOCVD)成長氮化鎵的磊晶片。目前月產能為1.5萬片,佔了全球總產能一半以上,預計在2025年英諾賽科產能要擴充到每月7萬片,以此推估需要70部MOCVD機台。

英諾賽科有別於其他主要氮化鎵供應商,其商業模式是IDM,在成本上相對是有優勢。相同的元件規格,比其他供應商的價格低30~50%。

氮化鎵元件在2年前,因為65W的手機快充電源插頭熱門一時,如今市場比較低迷。但是近來在人工智慧(AI)伺服器所需的直流電源轉換,對於中低壓氮化鎵的需求正在崛起,這部分需要操作在較高的切換頻率,及更大的輸出電流,正符合到氮化鎵的物理特性。

如果氮化鎵的價格有機會降到略高於矽基功率元件,毫無疑問氮化鎵的需求是會起飛的。

在第三類半導體研發上中國也是不遺餘力地投入。以大學為例,幾所著名的大學,如北京清華、浙江大學、西安交大、成都電子科大,甚至南京航天,都成立關於第三類半導體的研究群,訓練出眾多的碩博士生投入相關的產業。每年IEEE功率半導體最主要的會議ISPSD,中國的高校在第三類半導體的議題上,貢獻一半以上的論文。

中國第三類半導體廠商的確接受政府為數不少補助,才得以建立今天的產業規模。從已公布的財報而論,山東天岳及天科合達本業都是虧損的,英諾賽科離損益兩平是更遙遠。在此情境下,各家仍卯足全力來擴產,似乎是不理性的行為。但是綜觀中國過往在太陽能、LED甚至鋰離子電池,在市場還在萌芽之際,便積極地投入產能,只要這個產業的成長性是可被預期的,假以時日,中國擁有這產業的半壁江山,就具有充分話語權。

台灣該如何自處呢?

在此態勢下。多年前個人就說明了,第三類半導體產業需要供應鏈的垂直整合,而在台灣卻缺乏政策上有效的支持,現在再來談,為時有點晚。我們只有期望在全球兩大陣營的僵持下,我們想辦法能左右逢源,但這可以維持多久呢?

 

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。