金信實業(yè)(深圳)有限公司一個熱知識，很火的第三代半導(dǎo)體其實市場很小?？赡軙腥擞X得不可思議，但現(xiàn)實就是如此，臺積電董事長劉德音曾直接指出，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)值小，無法與硅基半導(dǎo)體相比，是特殊技術(shù)。研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)也能證明這一點，TrendForce預(yù)測，GaN（氮化鎵）市場到2025年成長為8.5億美元，而SiC則為33.9億美元。與高達(dá)數(shù)千億美元的半導(dǎo)體市場來說，第三代半導(dǎo)體確實只占了那么一丟丟。
但在新能源汽車、5G通信等新興領(lǐng)域的推動下，“小市場”顯然并沒有妨礙第三代半導(dǎo)體成為新的兵家戰(zhàn)場，尤其對于各大代工廠商。從當(dāng)前布局來看，臺積電、聯(lián)電、世界先進(jìn)等各大代工廠都已經(jīng)加入這場競爭激烈的第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)役中。
一、臺積電，用錢砸出來的GaN
作為全球晶圓代工的龍頭，臺積電在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域已布局久矣，2014年在6英寸晶圓廠制造GaN組件；2015年生產(chǎn)用于低壓和高壓應(yīng)用的GaN組件；2017年開始量產(chǎn)GaN-on-Si組件；去年年底有傳聞稱臺積電已具備8英寸量產(chǎn)能力，不過未得證實。
在臺積電看來，第三代半導(dǎo)體的競爭優(yōu)勢就在于功率與射頻應(yīng)用，因此相較于碳化硅，臺積電更看好氮化鎵的快充、輕薄、效率高的特性，更專注于氮化鎵的材料與技術(shù)開發(fā)，并鎖定快充、數(shù)據(jù)中心、太陽能電力轉(zhuǎn)換器、48V 直流電源轉(zhuǎn)換器、電動車車載充電器與轉(zhuǎn)換器等5大領(lǐng)域，搶攻商機(jī)。
據(jù)臺媒《財訊》報道，臺積電在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)靠的是自己花錢，由最基礎(chǔ)堆棧不同材料的磊晶技術(shù)開始研究。外界觀察，臺積電仍是以硅基板的化合物半導(dǎo)體為主，雖然這種技術(shù)在通訊上應(yīng)用有限，但在電動車等應(yīng)用上相當(dāng)有競爭力。
其實早在2014年，臺積電就已經(jīng)為愛爾蘭氮化鎵功率IC設(shè)計公司Navitas代工生產(chǎn)。此前Navitas首席運(yùn)營官/首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Dan Kinzer說，“臺積電的交付和質(zhì)量結(jié)果不言而喻，每月出貨量超過 100 萬個 GaNFast 電源 IC，總出貨量超過 1300 萬個，現(xiàn)場故障為零。”到了2020年，臺積電還獲得了意法半導(dǎo)體硅基氮化鎵代工訂單，為其生產(chǎn)車用的化合物半導(dǎo)體芯片?？梢哉f，臺積電已經(jīng)是目前在氮化鎵領(lǐng)域表現(xiàn)較為突出的代工業(yè)者。
臺積電本身也是十分重視對氮化鎵技術(shù)的研發(fā)，從2021年財報可以看出，其硅基氮化鎵Gen-1 技術(shù)平臺在 2021 年得到了進(jìn)一步增強(qiáng)，以支持客戶的各種市場應(yīng)用，第二代技術(shù)則正在開發(fā)中，計劃2022年完工。
財報透露，2021年，臺積電通過了第一代650V增強(qiáng)型GaN高電子遷移率晶體管（E-HEMT）的改進(jìn)版本，進(jìn)入全產(chǎn)能量產(chǎn)，市場已推出超過130款充電器，為此臺積電不斷擴(kuò)大產(chǎn)能以滿足客戶需求。其第二代650V和100V功率E-HEMT經(jīng)過研發(fā)后，F(xiàn)OM（品質(zhì)因數(shù)）提升50%，將于2022年投產(chǎn)；100V耗盡型GaN高電子遷移率晶體管（D-HEMT）完成器件開發(fā)，預(yù)計也于2022年投產(chǎn) 。除此之外，臺積電甚至已經(jīng)開始第三代650V電源E-HEMT的研發(fā)，并預(yù)計2025年交付。
當(dāng)然技術(shù)上的成功離不開資本的支撐。第三代半導(dǎo)體所屬的特殊制程作為臺積電的發(fā)展重點，去年臺積電將特殊制程在成熟制程的占比拉高到 60%，并由成熟制程升級轉(zhuǎn)換特殊制程支持第三代半導(dǎo)體發(fā)展。而今年，臺積電預(yù)計2022年為400億~440億美元，其中10%~20%花在特殊制程，也就是說，大約能有40億美元~88億美元用在特殊制程上。
二、聯(lián)電，搶進(jìn)8英寸
作為晶圓代工二哥的聯(lián)電先前的第三代半導(dǎo)體布局，主要通過轉(zhuǎn)投資聯(lián)穎切入。據(jù)悉，聯(lián)穎是聯(lián)電投資事業(yè)群的一員，成立于 2010 年，主要提供 6 英寸砷化鎵晶圓代工服務(wù)，生產(chǎn) CMOS 制程的二極管、MOSFET、及濾波器等，終端產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)無線通信、微波無線大型基地站、無線微型基地臺、國防航天、光纖通訊、光學(xué)雷達(dá)及 3D 感測組件等。
在發(fā)展路線方面，聯(lián)電以提供功率、射頻組件方案為主，初期以氮化鎵技術(shù)先行，待其技術(shù)發(fā)展成熟后，下一步才會朝碳化硅開始布局。從目前來看，聯(lián)電仍處于主攻氮化鎵階段，不過不同于臺積電的硅基氮化鎵，聯(lián)電采取Qromis研發(fā)的特殊基板QST開發(fā)氮化鎵技術(shù)，預(yù)期2022年將提供8英寸 GaN on QST方案，主攻650～1，200V的功率范圍。
據(jù)了解，QST基板相較業(yè)界以硅作為基板，具有與氮化鎵磊晶層更緊密匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE），在制程中堆棧氮化鎵的同時，也能降低翹曲破片，更有利于晶圓代工廠實現(xiàn)量產(chǎn)。
考慮到目前業(yè)界氮化鎵整體解決方案提供者較少，聯(lián)電還與比利時微電子研究中心（IMEC）進(jìn)行技術(shù)研發(fā)合作，將相關(guān)技術(shù)朝平臺化發(fā)展，完成后會把平臺開放給設(shè)計公司客戶使用，擴(kuò)大接單利基。據(jù)聯(lián)電協(xié)理鄭子銘去年年底透露，氮化鎵技術(shù)平臺建置已逐漸成形，預(yù)期2022年將進(jìn)入Design in（產(chǎn)品設(shè)計入客戶解決方案中）階段，率先提供的解決方案將以硅基氮化鎵為主，朝消費(fèi)性功率組件代工切入，提供6英寸晶圓方案。
2021年為了沖刺氮化鎵領(lǐng)域，聯(lián)電與封測廠頎邦宣布雙方將透過換股，換股合作后，聯(lián)電將成為頎邦最大單一股東，也將透過與頎邦的上下游整合，擴(kuò)大在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局。據(jù)悉，頎邦在電源功率組件及射頻組件封測市場經(jīng)營多年，封測技術(shù)已量產(chǎn)于砷化鉀、碳化硅、氮化鎵等化合物晶圓。聯(lián)電在2021年財報中也指出，將積極投入開發(fā)化合物半導(dǎo)體氮化鎵功率組件與射頻組件制程開發(fā)，擬結(jié)合頎邦在電源功率組件及射頻組件封測市場之領(lǐng)先地位與先進(jìn)封裝技術(shù)，加速開發(fā)高效能電源功率組件及5G射頻組件之市場商機(jī)。
財報還顯示，針對5G世代需要更高壓及更高頻的組件需求，聯(lián)電開發(fā)了新的半導(dǎo)體材料制程，包含已經(jīng)看的量產(chǎn)用于5G通訊的砷化鎵組件以及全力開發(fā)中的滿足更高功率的氮化鎵組件，其中寬能隙氮化鎵功率組件與微波組件技術(shù)平臺的開發(fā)預(yù)計在民國112年，也就是2023年完成量產(chǎn)。
隨著布局的深入，聯(lián)電開始火力全開，從6英寸朝著8英寸晶圓進(jìn)軍。本月初，臺媒經(jīng)濟(jì)日報報道，供應(yīng)鏈透露，聯(lián)電近期擴(kuò)大第三代半導(dǎo)體布局，自行購置蝕刻、薄膜新機(jī)臺，預(yù)計下半年將進(jìn)駐8英寸 AB廠。聯(lián)電財務(wù)長劉啟東對此回應(yīng)，集團(tuán)在第三代半導(dǎo)體的發(fā)展上，仍以聯(lián)穎為主，聯(lián)電則進(jìn)行研發(fā)，不過確實有在合作，但細(xì)節(jié)不便透露。
眾所周知，由于第三代半導(dǎo)體薄膜厚度比一般晶圓厚，容易導(dǎo)致晶圓彎曲，所以目前多以6英寸為主，8英寸雖然能產(chǎn)出更多的晶片，但顯然難度更大。聯(lián)電能搶先布局8英寸，除了看重其經(jīng)濟(jì)效益外，也暗示了對其自身技術(shù)的信任。聯(lián)電資深處長邱顯欽在去年表示，“聯(lián)電現(xiàn)在有很多既有的RF-SOI（射頻絕緣上覆矽）客戶，再加上聯(lián)穎有聯(lián)電的6英寸廠支撐，最快明后年可以看見成果?！蔽覀円彩媚恳源?。
三、世界先進(jìn)，有望今年如期量產(chǎn)
對于第三代半導(dǎo)體，世界先進(jìn)董事長方略是這么看的，“即使再過5年，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)值也未必超過（半導(dǎo)體整體市值的）1％，但是新材料（碳化硅、氮化鎵）衍生的商機(jī)，將突破硅材料無法做到的領(lǐng)域，將是值得探索的嶄新世界?！?/p>
正是看到了第三代半導(dǎo)體所衍生出來的巨大商機(jī)，世界先進(jìn)在2018年就宣布朝量產(chǎn)氮化鎵芯片的目標(biāo)努力。去年11月的法說會上，方略指出，基于GaN on QST制程的產(chǎn)品已經(jīng)有客戶進(jìn)行原型設(shè)計與送交制造，目前已經(jīng)出貨的兩批產(chǎn)品線都通過可靠性測試，預(yù)計2021年底前會完成所有的程序設(shè)計，順利的話2022年上半年會看到有實際產(chǎn)品面世。
在技術(shù)方面，世界先進(jìn)建立了完整的氮化鎵加工技術(shù)，除了前后段制程都自行完成，同時也會建立自己的晶圓薄化技術(shù)。
基板方面，世界先進(jìn)與聯(lián)電一樣，選擇QST基板技術(shù)，憑借著QST基板材料，世界先進(jìn)將生產(chǎn)出8英寸氮化鎵晶圓，如果能與世界先進(jìn)既有的8英寸機(jī)臺設(shè)備、管理與開發(fā)相互配合使用，或許會在2022年如期量產(chǎn)基于QST基板的氮化鎵組件。
除了傳統(tǒng)的純晶圓代工廠，IDM廠商也積極卡位，比如三星加入南韓官方計劃沖刺第三代半導(dǎo)體布局。去年5月，韓國政府發(fā)布了一份先進(jìn)功率半導(dǎo)體研發(fā)和產(chǎn)能提升計劃，計劃到2025年將市場競爭力提升到全球水平，至少有5種先進(jìn)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品上市。韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部在一份聲明中表示，將與韓國國內(nèi)的代工廠建立6 - 8英寸的制造工藝，以擴(kuò)大相關(guān)的代工服務(wù)。
四、寫在最后
代工廠搶先入局第三代半導(dǎo)體并非沒有原因，除了那誘人的商機(jī)外，還有設(shè)備相容度。漢磊科技前總經(jīng)理莊淵棋曾于論壇分析稱，入氮化鎵代工技術(shù)跟代工廠原本的設(shè)備相容度達(dá)9成以上，且氮化鎵有機(jī)會轉(zhuǎn)到8英寸廠投片，因此只要多添購專用設(shè)備就好了。
當(dāng)前聯(lián)電、世界先進(jìn)都已經(jīng)向8英寸邁進(jìn)，相信在不遠(yuǎn)的未來，代工廠們在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的付出會相繼顯現(xiàn)，這個產(chǎn)業(yè)也將變得更加旺盛。
