5G时代来临 开辟半导体产业新蓝海

5G已被公认为接下来驱动半导体的主要动力。shutterstock

5G带动各项应用发展，已被公认为接下来驱动半导体的主要动力。台湾半导体产业协会(TSIA)理事长、台积电董事长刘德音于日前的TSIA年会致词时表示，5G、人工智能(AI)及企业数码转型的应用，可望成为半导体产业的新蓝海。

根据台湾半导体产业协会(TSIA)统计，2020年台湾半导体产业总产值达新台币3.2万亿元(1,089亿美元)，较2019年成长20.9%。拜新兴用带动所赐，预估2021年台湾IC产业产值将突破4万亿元(1358亿美元)，成长24.7％，创历史新高。

另根据研究机构IDC统计，即便全球经济深受疫情所苦，2020年全球半导体产业仍年增10.8%至4,640亿美元，且预期2021年在5G手机、车用芯片带动下，营收仍将加速成长12.5%，达5,220亿美元。5G手机及车用芯片为2021 年推升半导体需求的主要来源，不过5G手机对于芯片需求更高，2021年手机芯片营收预估将成长二成以上，其中和5G手机相关的营收占比将近三分之二。

追求元件耐受性 化合物半导体受青睐

5G风潮之下，化合物半导体的发展愈发受到瞩目。综观半导体发展历程，矽长期做为主流半导体材料，由于容易取得、稳定性高，目前已发展至纳米级量产制程，其第一代半导体地位不可撼动。

然而，5G、电动车、新能源等新兴应用的出现，电子元件的耐受性必须更高，而矽的物理特性无法承受高温、高压冲击，因此有了第二代半导体的砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)，以及第三代的碳化矽(SiC)与氮化镓(GaN)的发挥空间。

简而言之，与矽半导体相较，化合物半导体的特出之处在于高功率密度，可大幅缩小产品体积，以及在高频、高温与高电压的环境下仍有极佳效能。

根据工研院产业科技国际策略发展所估计，2020年全球化合物半导体产值大于1,000亿美元，占整体半导体产值约18.6%，预估2025年将成长至1,780亿美元。从应用面来看，化合物半导体在通讯元件及功率元件的发展机会最大。尤其在通讯方面，已有愈来愈多5G通讯基站及毫米波装置采用第三代半导体。

5G通讯具备大带宽、高传输速率与低延迟时间的特性，在利用毫米波频段取得更大传输带宽时，也因毫米波的高传输损耗而对传输功率要求更高，而在5G通讯应用领域，GaN较高的功率密度与操作频率，将可充分支持毫米波传输。

根据资策会MIC说明，GaN原是应蓝光发光二极管的需求而被开发的材料，以蓝宝石为基板，利用磊晶技术在上方形成GaN晶体薄层材料，在电流激发下可产生蓝光到紫外线波长范围的光。随着磊晶技术成熟，GaN晶体被进一步应用于电子元件开发，成为功率电子元件的重要材料，而GaN高频高电压操作的特性，在通讯应用方面更具备优势。

依照基板种类不同，GaN可分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC与GaN-on-GaN三种。其中，台湾厂商由于长期投入矽基及三五族材料与制程发展，因此在GaN-on-Si磊晶与晶圆方面较有优势。不过，化合物半导体的制程与矽半导体虽然类似，但是化合物半导体是两种以上的元素结合，因此必须考虑晶格及原子的匹配性，长晶及切磨的难度更高。

5G推动 厂商积极布局化合物半导体

随着5G通讯、电动车、能源转换等终端应用快速成长，GaN及SiC等第三代化合物半导体市场进入成长爆发期。面对庞大商机，台积电、联电、中美晶、汉民等业者早已布局多年。

台积电早于2015年已着手布建GaN on Si技术及产能，近年已进入量产阶段。台积电研发资深处长段孝勤于2021年9月的SEMICON台湾在线论坛表示，台积电在化合物半导体领域专注在GaN相关开发，历经长期的发展，GaN已逐渐开始被市场接受，预期未来十年将延展更多应用。他并提到台积电已开发GaN-on-Si技术应对功率与RF元件需求，磊晶代工厂也已发展出6寸 GaN-on-Si晶圆生产等。

台积电2021年已投入第二代GaN增强型高电子移动率晶体管(E-HEMT)量产，100V空乏型高电子移动率晶体管(D-HEMT)进入试产，并打进5G基站模式供应链。

联电旗下的联颖光电，则是以6寸厂投入功率元件及砷化镓(GaAs)晶圆代工，联电目前并着手进行GaN on Si技术开发，联颖会是主要生产基地，且未来考虑提供8寸晶圆代工。

应用起飞 厂商扩大投资GaN及SiC

汉民集团旗下汉磊及嘉晶在GaN及SiC布局多年有成，于日前法人说明会上，汉磊暨嘉晶董事长徐建华表示，2021年是第三代化合物半导体应用起飞元年，将积极扩产因应强劲需求。汉磊将在未来2∼3年投资0.8∼1.0亿美元，增加6寸碳化矽(SiC)产能达5∼7倍，氮化镓(GaN)月产能2022年倍增至2,000片。嘉晶预计将投入5,000万美元扩产，将SiC基板产能增7∼8倍，GaN基板产能计划提高2∼2.5倍。

中美晶集团旗下环球晶圆预计于年底达到月产5,000片6寸SiC磊晶基板、2,000片6寸GaN on Si磊晶基板，4寸GaN on SiC磊晶基板也已小量出货，6寸GaN on SiC磊晶基板产能将在2022年开出。中美晶转投资的宏捷科扮演晶圆代工角色，已投入GaN on Si及GaN on SiC技术开发及产能布建。

为扩大布局，中美晶日前并宣布将投资1,500万美元(约新台币4.17亿元)，由子公司中美鑫投资股份有限公司参与GaN半导体先驱美商Transphorm私募，预计取得5.84%持股。中美晶强调，策略联盟有助Transphorm扩大GaN磊芯片供应链，环球晶圆将成为Transphorm的GaN磊芯片供应商、增加Transphorm 产能。

整体而言，随着5G等应用的日趋兴盛，第三代化合物半导体成为未来世界的关键材料，其中GaN可用来制作5G、高频通讯的材料，此外也可用来制造电源转换器，GaN元件的市场规模将持续成长，商机潜力无穷。