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迎接第三类半导体8寸晶圆新契机

第三类半导体若能积极地导入8寸晶圆的制造,使之降低价格,商机引爆点就有机会发生。

每隔一段时间,笔者便会发表关于第三类半导体(氮化镓,碳化矽)的看法,毕竟这块园地是十几年来笔者长期关注、耕耘及使力的地方。

十多年前在工研院时代,我们只知道第三类半导体,会是个时代及产业的趋势,并不全然地清楚实际应用的场景及何时会发生。经过这些年头,产业生态链逐渐完整,应用场景也日趋明朗,但是还尚未达到实际真正的引爆点。随着8寸晶圆的导入,是有机会引起第三类半导体大爆发。

Yole在最近发表的市调报告,整体分离式功率元件(discrete power devices)市场规模在2022年达200亿美元,预估在2028年会超越330亿美元。这330亿美元的市场规模,矽基功率元件仍占大宗,但第三类半导体比例会到30%以上。碳化矽与氮化镓的比例约略是4:1,也就是碳化矽80亿,氮化镓20亿。

在市场应用上,几年前流行一时的氮化镓60W快充电源转换器,只是个小众市场。最近关注的焦点在于电动车的电控及电池充电系统,第三类半导体尤其是碳化矽扮演不可或缺的角色。然而近来火红的AI算力中心的电源需求,第三类半导体的角色扮演,却比较少受到关注。

不论是电动车或者AI算力中心,都需要大量的电流来驱动马达或者是芯片。为了避免过度的电流在传输上造成损耗,以及减少导线承载电流的截面积,直流高电压是个必然的趋势。电动车已经由直流48V走到400V,甚至于800V的直流高电压,AI算力中心也势必跟随电动车脚步,转向直流高电压。

相较于矽基的功率元件(MOSFET、 IGBT),第三类半导体在相关高电压、大电流及切换频率的表现上都优于矽基元件。电动车关注的在于高电压及大电流,AI算力中心还须加上切换频率,因为在机柜内空间有限,提高切换频率可以增加功率密度。

第三类半导体在供应链及应用端已逐渐成熟,市场何时会引爆?目前的重点在于价格。

举一实际的案例,1个功率模块,若使用第三类半导体,其所需的元件数目可以是矽基元件的一半,但是遗憾的是整体的价格却还是矽基的2倍。所以第三类半导体若能积极地导入8寸晶圆的制造,使得价格上能降低30~50%,引爆点就有机会发生。

氮化镓已经有公司导入8寸晶圆的制程,至于碳化矽到2025年将有IDM公司如英飞凌(Infineon)、安森美(Onsemi)、Wolfspeed、罗姆(Rohm)、意法半导体(STM)、博世(Bosch)、富士电机(Fuji Electric)等陆续导入8寸晶圆,这些公司也或多或少有8寸氮化镓晶圆的规划。即将引爆的契机已快来临,台湾的产业链该如何抓住呢?

第三类半导体技术及8寸晶圆厂对台湾都不是问题,问题在于商业模式。

无可讳言,目前矽基功率元件产品及技术领头的厂商,都是国际IDM的大厂,因为这是个元件设计与晶圆制造需要密切配合,才能创造出优异产品的产业。然而在台湾,我们是以设计及晶圆代工分业,为主要的诉求,因此我们的功率元件厂商,只能配合晶圆代工厂所提供的标准制程,或做有限度的优化,在量大的市场内作价格上的竞争。

我们商业模式需要做些调整,整合是必要的,但不必然要走到IDM模式。

晶圆代工厂,尤其是能提供第三类半导体8寸晶圆的厂商,可以朝虚拟整合(virtual integration)的方向来规划。也就是策略性地扶持少数几家元件设计公司,在制程条件上予以充分的配合,宛如两者是在同一个屋檐下工作,如此才有机会与国际IDM大厂一搏天下。

要能做到虚拟整合,必定不会是件简单的事。我们已经失去矽基功率元件市场主导的机会,第三类半导体正准备引爆中,加上台湾优良的8寸晶圆经营的绩效,我们是有机会在国际的舞台上发光发热。

 

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司CEO。