「第三代半導體」是科技業下一個戰場
2home.co 楊惟婷
近世紀每隔十年都有其代表性創新發明，80年代的「電腦」、90年代的「網際網路」，而千禧年後最偉大的發明當屬「智慧型手機」，而2010年的「網路社群」人類社交生活的突破，每個世代一直在創新，而2020年後，我們將迎接的是「電動車時代」。
自從特斯拉在電動車上獲得巨大的成功後，現在全球各大車廠都在搶進這塊大餅，沒有一家車廠想錯過由燃油變成電力的「關鍵時代」，畢竟2020年全球汽車總銷量7,797萬台，已年減13%，但電動車卻是大幅成長48%，達到312萬台，尤其未來十年，電動車將以29％的年複合增長率持續成長，目前有哪個產業能有如此快速成長？
而電動車和傳統汽車最大的差別，除了電池外，還有在智能提升及自駕趨勢下，每台車上會增加大量的半導體與感測元件，為的就是讓汽車變的更人性、更聰明。在此，常見的電動車半導體元件主要為 MCU、功率半導體 (IGBT、MOSFET、二極體)、磊晶…等，這些必備的電子元件，伴隨電動車快速成長，未來具很大需求的想像空間。
試想，電動車對半導體需求商機到底有多大？其中IGBT將增加7~10倍、感測元件由4個增加至19個，而隨電池模組增加，使用的功率半導體數量將比過去增加3~5倍，今年每台新增汽車半導體成長平均增加16%，未來隨自駕系統更成熟，半導體元件成本將激增3倍，電動車儼然就像一台可移動的超大型電腦。
這種想像空間，您還有什麼猶豫？
一、為何「第三代半導體」是台灣科技業下一個戰場？
「第三代半導體」是目前高科技領域最熱門的話題，各國都想要這個技術，也都想從這機會中分一杯羹。
(一) 半導體的世代區隔
1、「第一代半導體」—-是以矽為材料
過去30年，台積電、聯電擅長製造的邏輯 IC，基本上都是以矽為材料的「第一代半導體」。矽基本上是一種相當全能的材料。
如果用門比喻，用矽做的半導體，就像木頭做的木門，輕輕一拉就能打開（從絕緣變成導電）。
而第二代或第三代化合物半導體就像鐵門，甚至金庫大門，需要很大力氣，更要加高電壓，才能讓半導體金庫大門打開，才能讓電子通過。但要處理高電壓、高頻訊號，或是在訊號轉換速度，矽材料就有一些弱點存在，此時第三代化合物半導體就優於傳統矽材料。
2、「第二代半導體」—-是以砷化鎵、磷化銦為材料
目前，坊間所稱的第二代半導體，指的是使用砷化鎵、磷化銦這兩種半導體材料，這是1980年代發展出來的技術。
3、「第三代半導體」—-是以氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）為材料
現在所稱的第三代半導體，指的則是使用氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）這兩種材料，這是2000年之後才開始投入市場的新技術。
第三代半導體的市場還在起步階段；第二加第三代半導體市佔目前占全球半導體市場的比率，尚不到一成；如果只看第三代半導體，也約只有百分之一。
根據工研院產科國際所統計，化合物功率半導體（即第二和第三代半導體）2020 年市場規模約298億美元；但2025年會成長到361.7億美元；2030年更可逾430 億美元，成長潛力大。
尤其，第三代半導體並不好做。以通訊晶片為例，要按照不同的通訊需求，選擇不同的材料，在原子等級的尺度下精確排好，難度有如給你各種不同形狀的石頭，堆出一座穩固的高塔；誰能用這些材料，生產出更省電、性能更好的電晶體，就是這個市場的勝利者。
(二) 第三代半導體的主要應用市場
目前，第三代半導體有3個主要應用市場：
第一個市場，是將氮化鎵材料用來製作5G、高頻通訊的晶片（簡稱 RF GaN）。
過去20年，許多人想用成熟的矽製程，做出可以用在5G高頻通訊上的零組件，最有名的是高通在2013年推出的 RF 360計畫。
當時，市場上的擔心，高通這項新技術推出之時，就是生產通訊用化合物半導體製造商的「死期」，穩懋股價還曾因此重挫。
結果，高通生產出來的矽晶片非常燙，完全沒辦法用在手機上；後來，連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察，通訊會愈來愈往高頻發展，未來高頻通訊晶片都是化合物半導體的天下。
第二個市場，是用氮化鎵製造電源轉換晶片（簡稱 Power GaN），這是目前最熱門的領域。
過去生產相關產品，最難的部分是取得碳化矽的基板。但近幾年，市場開始出現將氮化鎵堆疊在矽基板上的技術（GaN on Si）。這種技術大幅降低化合物半導體的成本，用在生產處理數百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。
目前市面已可看到，原本便當大小的筆電變壓器，做到只有餅乾大小，OPPO、聯想等公司，更積極要把這種技術內建於高階手機和筆電。
野村證券認為未來 2~3 年，第三代半導體將重塑全球消費性電源市場，取代用矽製作的 IGBT電源管理晶片。因為，第三代半導體能源轉換效率能達到95%以上，一旦大幅採用，以台灣為例可省下一座核能電廠的電。
第三個市場，是碳化矽電源轉換晶片（SiC）。
碳化矽材料的特殊之處在於，如果要轉換接近1,000伏特以上的高電壓，就只有碳化矽能做到這樣的要求；換句話說，如果要用在高鐵，用在轉換風力發電，或是推動大型的電動船、電動車，用碳化矽都能做得更有效率。
過去電動車都使用矽製成的 IGBT電源轉換晶片，但特斯拉Model 3首次採用意法半導體製造的碳化矽電源轉換晶片，為電動車轉換電能。
根據英飛凌提供的數據，同樣一輛電動車，換上碳化矽電源轉換晶片後，續航力能提高4%，由於電動車每一分電源都極為昂貴，各家車廠都積極布局碳化矽技術。英飛凌預期，到2025年，碳化矽電源轉換晶片將占汽車電子功率元件兩成。
(三) 第三代半導體的技術發展，攸關電動車省電能力
所有人都已經看到，過去汽車是否省油，是由引擎決定；未來，電動車要如何省電，則是由第三代半導體技術決定。
2018年，日本羅姆半導體宣布，在2024年之前將增加碳化矽晶片產能16倍。
法國雷諾汽車也宣布，和意法半導體結盟，所需的碳化矽晶片由意法半導體獨家供應。
2019年，德國福斯集團跟美國Cree合作，由Cree獨家和福斯合作發展碳化矽晶片技術，同年Cree也宣布投資10億美元，興建巨型碳化矽晶片工廠。
而台灣在此領域有四大主要逐鹿者：
1、台積電
台積電在這個領域，早已研發多年，是自己花錢，由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始研究。目前，台積電仍是以矽基板的化合物半導體為主，這種技術在通訊上應用有限，但在電動車等應用相當有競爭力。
根據台積電年報，台積電在矽基板氮化鎵，2020年已開發出150伏特和650伏特兩種平台。台積電將因此搭上電動車第三代半導體的成長大潮流。
2020年2月，意法半導體宣布和台積電合作，台積電已經為意法生產車用的化合物半導體晶片。
另消費性電子用的電源轉換晶片，台積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設計公司Navitas代工生產。2021年Navitas宣布，賣出1,300萬個第三代半導體變壓器，目前每個月出貨量達到100萬個，良率幾乎百分之百。由於Navitas在這個領域擁有五成市占率，也證明台積電早已悄悄靠第三代半導體賺錢。
這種化合物半導體目前主要仍在6吋設備生產，但台積電的技術現在已能改用8 吋設備生產，效率更高。這項技術發展成熟之後，台積電舊有的8吋廠，由於折舊早已完成，換上化合物半導體新應用，獲利還會進一步提高。
世界先進因為擁有大量8吋設備，也跟台積電採取相同的策略，大力發展矽基的氮化鎵晶片製造技術，以提升附加價值。
世界先進也正積極建立完整的氮化鎵加工技術，除了前後段製程都自行完成，也建立自己的晶圓薄化技術。
2、中美晶集團
中美晶則是另一股積極投資第三代半導體的勢力，除了2020年底成為宏捷科最大股東，切入通訊用化合物半導體製造外，中美晶旗下環球晶第三代半導體基板技術也逐漸成形，但仍需克服良率和成本問題。
同時，中美晶也在悄悄整合資源，另一路布局切入車用第三代半導體市場。
從旗下茂矽年報中揭露，茂矽正在積極發展氮化鎵的快充技術。而旗下朋程目前6吋的矽晶圓價格是20美元，但6吋碳化矽則要1,500 美元，當碳化矽成本降到 750美元，車用碳化矽的MOSFET就有機會普及，大概還要 5年以上時間。
3、漢民集團
漢民集團則是最早布局化合物半導體的公司，在結束瀚薪之前，漢民從車用化合物半導體晶片設計（瀚薪），基板和磊晶技術（嘉晶），到代工製造（漢磊），體系十分完整。漢磊也是台灣少數同時能製造氮化鎵和碳化矽晶片的公司。
4、富采
富采（原晶電）由於 LED 製造原本就需要化合物半導體磊晶技術，2018 年也將旗下代工事業分割出來，成立晶成半導體，專攻化合物半導體製造。
2019 年，環宇-KY 也投資晶成半導體，目前晶成半導體也有能力提供矽基氮化鎵功率半導體製造服務。
二、漢民集團在「第三代半導體」產業的吟嘯且徐行
半導體進程不斷推進，第三代半導體已成全球科技廠必爭之地；而台灣談到第三代半導體就不能不提到漢民科技董事長黃民奇。他可說是投入台灣第三代半導體的先行者，44年前白手起家，創造出營收數百億元的半導體設備帝國—-漢民集團，卻始終低調神祕。這位神祕千億富豪的事業布局揭示了什麼樣的投資方向？
依2021年5月富比世公布的台灣50大富豪榜上，黃民奇以14億美元的身價，名列第36，身價略高於英業達集團會長葉國一，但恐怕是低估了他的身價。
尤其，黃民奇恐怕是榜上最神祕的半導體富豪，他創立的漢民科技並未上市，但旗下漢磊和嘉晶已上櫃！
- 黃民奇成功三步曲
黃民奇一生的財富，與3個關鍵有關。
1、1988年，漢民拿下艾司摩爾步進機的代理權，當時台積電成立才第2年，這是半導體曝光製程的關鍵設備。
2、1989年，漢民集團又拿下東京威力科創（TEL）全系列產品的代理權；東京威力科創是日本產品最齊全的半導體設備公司，有一段時間漢民在台灣的營業額，比美商應材還大。
3、1992年，漢民集團開設新加坡分公司，與東京威力等公司合作，開發國際市場。當時，東京威力科創在全世界都有子公司，唯獨台灣和新加坡交給代理商營運。
只是，艾司摩爾從2002年在台設立子公司，逐步收回代理權；2018年3月，東京威力也公布，在東南亞將走向直供模式，所有業務都交由新加坡子公司負責。2021年1月，東京威力公告，原本在東京威力新加坡分公司出任副董事長的呂煇強正式退休，他也是漢民新加坡分公司的總裁。漢民和東京威力的業務關係正在逐步轉型。
未來幾年，漢民集團仍會收到東京威力科創付給漢民的權利金，但是未來漢民從代理東京威力科創設備帶進的營收，將逐漸減少，雖然漢民仍有不少代理事業，但也積極發展自有的新產品。
這也正是為什麼，過去幾年，雖然黃民奇大部分時間不在台灣，但旗下公司獲利的腳步卻快速推進，像漢磊上櫃多年，今年可望轉虧為盈。
黃民奇在2016年出售漢微科之後，近幾年又辭去了漢磊、嘉晶等多家公司的董事長，比過去更加低調。過去10年也積極發展大陸市場，總共安裝超過22000台的各式設備。目前黃民奇大部份時間都在新加坡，每天仍然行程滿檔，元氣十足，當半導體成為地緣政治的必爭資源，黃民奇不只在台灣投資，也在新加坡進行新一輪布局與投資。
- 台灣民間版的貝爾實驗室
黃民奇會如此成功，除了時機對，還有一個重點，就是敢投資冷門、尖端，且燒錢的技術，像投資尖端半導體設備，規模動輒以億元計算——漢民如同是台灣民間版的貝爾實驗室。很多公司怕投資新技術，怕賠錢，黃民奇卻是大把大把投資，虧損也持續投資，他會看你做到哪些milestone（里程碑），他比別人多一點耐心。
黃民奇在化合物半導體技術上也投下不少錢，最知名的例子，是他與美國EPC公司的合作，這個故事還曾登上美國《Fast Company》雜誌。
EPC執行長林道（Alex Lidow）1977年在史丹佛大學讀研究所時，發明一種新型的功率半導體技術（HEXFET power MOSFET），原本足以讓他的家族企業International Rectifier每年收取9億美元的授權金，沒想到正當他想改造以矽為主的半導體產業時，董事會卻以財報不實為理由，把他踢出自己的家族企業，這家公司在2015年被賣給了英飛凌。
International Rectifier原本就是漢磊的客戶，黃民奇看到林道不惜抵押房子也要繼續投資氮化鎵技術，決定全力幫助他。2007年，黃民奇和林道共同創辦了EPC，黃民奇仍是EPC的大股東，而EPC在400伏特以下的氮化鎵晶片全球市占率已達8成，EPC的產品也在漢磊和嘉晶的產線上生產，在許多油電混合車、光達用的電源晶片裡，都看得到EPC和台灣合作生產的晶片。
再以他投資的漢辰為例，這家公司從事離子植入機領域的研發超過20年，目前漢辰已擁有出5奈米製程使用的離子植入機技術，是台灣唯一趕得上最先進製程的半導體設備廠商。
事實上，黃民奇近年大力投資各種生技的新技術。他看的都是5年、10年後要解決的問題…，你知道嗎，例如量子電腦最大的應用，就是解算RNA（核糖核酸），未來幾年，生物技術發展會非常快。因此，黃民奇把生物科技當成公司未來發展的新方向。
漢民著重把基礎科學變成設備的能力，這幾年也逐步把最先進的離子束、中子束、電子束技術，從半導體領域發展到生醫領域。
例如轉投資的禾榮科技，發展中子束控制技術，利用癌症細胞吸收硼的特性，發展硼中子治療控制系統，能精準讓癌細胞在放射治療時，接收到比正常細胞多5、6倍的放射線，目前已跟台北榮總、中國醫藥大學合作用於頭頸癌和腦癌治療上。
還有瀚源生醫，他們的生物晶片，能在指尖大小的晶片上，容納100萬個生物感測器，可以用在癌症篩檢、心血管病情檢測上。
漢民甚至還投資公司，發展人工心臟（MCS）技術，成立怡忠科技發展心室輔助器，台灣發展的技術可以微創植入，心臟病末期的患者植入這項產品，可以降低心臟衰竭的機率，被視為是顛覆性的醫材技術。
- 黃民奇的事業布局揭示了什麼樣的投資方向？
未來，漢民集團的業務，將分成關鍵零組件、半導體設備和生物醫療3大塊發展：
1、半導體晶片
電動車取代汽油車已是不可逆的事實，電動車除了取代傳統引擎外，還有一個很大特點，就是會用上大量的電子相關產品，核心就是半導體晶片！
汽車半導體元件主要為微控制器（MCU）、絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）、金屬氧化半導體場效電晶體（MOSFET）、二極體、磊晶等。
由於電動車屬精密產業，傳統以矽製造的晶片為因應高耐壓所增加的電阻，將製程改用IGBT結構，但還是會有材料過熱問題。
第三代半導體碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 具能隙，能更快讓電子遷移，具提升效率、低功耗優勢，乃成應用主流。漢民集團旗下嘉晶 (3016-TW) 具量產4、6吋碳化矽磊晶及 6 吋氮化鎵磊晶，其中氮化鎵良率達九成以上，製造完成之磊晶再交由漢磊 (3707-TW) 代工，兩者營運今年都將有所改善。
2、半導體設備
雖然製造最先進的半導體設備愈來愈困難，但漢辰仍持續投入離子束技術，雖然因為現有的FinFET製程，做離子植入機現在並非顯學，但外界也推斷，在3奈米以下製程，當電晶體設計轉為採用GAA（gate-all -around）的設計，離子植入機可望再次走紅。此外，像漢民投資的台灣電鏡，是漢民繼漢微科之後培養的電子顯微鏡公司，已可以用在精密檢測上。
3、醫療設備和系統。
這個領域跟半導體設備類似，不管是遠距醫療系統，還是質子治療機，除了用得到漢民原有的高科技技術，還可以靠服務賺取穩定的現金流。
像漢民原醫就和Mevion公司合作，把質子治療機服務推往泰國等東南亞市場。林淑玲則兼任醫創生物科技的董事長，顯示對科技結合醫療的高度興趣。
2021年開始，漢民集團從IC跨入細胞、新能源的轉型將會加速，他10年前布局的第3代半導體，已成當紅炸子雞。跟著黃民奇的布局尋找，將有機會發現，台灣下一個40年有機會大紅的新產業。
三、電動車與「第三代半導體」天註良緣
電動車取代汽油車已是不可逆的事實，電動車除了取代傳統引擎外，還有一個很大特點，就是會用上大量的電子相關元件，其核心就是半導體晶片！
而汽車半導體元件主要為微控制晶片（MCU）、金屬氧化半導體場效電晶體（MOSFET）、絕緣閘雙極型電晶體（IGBT）、二極體、磊晶等。
電動車屬精密產業，傳統以矽製造的晶片為因應高耐壓所增加的電阻問題，即使將製程改用IGBT結構，還是會有材料過熱問題。由於第三代半導體採用碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 材料具能隙，能更快讓電子遷移，具提升效率、低功耗優勢，乃成應用主流。。
另外，在晶片功能越來越多下，需要更多功率半導體來控制電流以保護晶片，MOSFET、IGBT、二極體市場也將同步成長，例如功率半導體IC設計公司強茂 (2481-TW) 、朋程 (8255-TW) 等所開發出的「高效二極體」，發電效率比起傳統二極體符合減碳趨勢。而強茂及朋程還有另一個優勢，即共同投資晶圓代工廠茂矽 (2342-TW)，主要也是看準第三代半導體優勢，鎖定 IGBT及車電應用，Q3在6及8吋 IGBT製程機台安裝完成後，新品 FS-IGBT 將可試產，由於增加了電場終止層，所以可以更薄化，並降低耗損。
(一) 微控制晶片 (MCU)
在8吋晶圓代工產能供不應求情況下，下游客戶MCU訂單遠大於供給量，短期未見舒緩機跡象，也使得MCU(微控制晶片)的供需缺口持續擴大，據悉目前缺口已經逾2成之多，也使得MCU後續傳出還有漲價計畫，例如MCU廠盛群(6202)計畫8月起再針對產品調漲10%到15%，以反映晶圓成本，未來也不排除其餘MCU廠也會跟進調漲，包括新唐(4919)、松翰(5471)等，在整體產業吃緊，以及漲價效應帶動下，MCU產業可望一路旺到年底、甚至明年。
MCU主要可分為8位元、16位元、32位元，其中：
8 位元屬於低階的微控制器，主要應用於冰箱、洗衣機、烘乾機、低階馬達等，特色是成本低、功耗具優勢；
16 位元則主要用於數位相機、車用電子、醫療電子等，但目前 16 位元的處理效能及成本沒有明顯優勢已逐漸失去競爭力；
高階的 32 位元則主要用於智慧型手機、高階醫療電子用品、無人車、物聯網終端裝置等等，特色是具有龐大的運算功能，同時耗能也較大。
在市場的比重上，由於半導體先進製程的緣故，使32位元MCU成本下降，目前佔有62%；16位元約 23%；8位元約 15%。
根據 DIGITIMES 的研究整理，目前全球 MCU主要供應商都掌握在瑞薩、恩智浦、英飛凌等國際大廠手中，新唐是唯一一間台灣位於前10的MCU供應商，目前 MCU的市場規模逐年上升，且2020年因疫情緣故導致晶元短缺，MCU高度供應不足供需缺口不斷擴大。
(二) 功率半導體元件的應用廣泛
隨著5G的基礎建設擴大，行動裝置與基地台不可或缺的射頻(RF)與電源功率元件必須能有效對應高頻動作環境的考驗。
對於電源功率元件的發展來說，如何提升電力使用效率，達到裝置低耗能的目標，成為未來製造端矚目的焦點。
此外，未來5G技術將結合車聯網的機能，而汽車本身的電子系統亦需在高溫、高壓環境進行快速切換的動作，因此電源功率元件如何滿足車用環境的需求也成為另一重要課題。
功率半導體元件(或簡稱功率元件)，即是電源功率裝置的電能轉換與電路控制的核心；主要用途包括變頻，整流，變壓，功率放大，功率控制等，並同時可具有節能的功效；因此電源功率元件廣泛應用於移動通訊，消費電子，新能源交通等眾多領域。而目前常用功率半導體元件有以下4種發展方向：
1、金屬氧化半導體場效電晶體（MOSFET）自1980年即進入電子商業應用，主要用在PC，NB等消費性電子的主機板跟電路板上，屬中低壓市場，在900V以上的高壓領域較無用武之地；
2、絕緣閘雙極型電晶體（IGBT）的發明，則滿足大功率化與高頻化的需求，自1988年以來已進展至第六代產品，成為目前高壓電子產品之主流應用。
3、氮化鎵功率元件(GaN Power Device)材料特性與發展課題
就氮化鎵功率元件(GaN Power Device)特性而言，因為電流沿著元件表面集中，因此不適合大電流用途，但相當適合應用在高頻的環境當中。目前就基板技術來看，GaN Power Device採用的基板材料主要有碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)及矽基氮化鎵(GaN-on-Si)兩種。
其中GaN-on-SiC 結合了SiC優異的導熱性，以及GaN高功率密度和低損耗的特性，適合應用在高溫、高頻的操作環境，主要用於製造微波射頻元件，在散熱性能具優勢。但由於SiC晶圓目前生產尺寸仍限制在4吋與6吋，未來如何達到晶圓尺寸擴大化為首要目標。
GaN on Si主要適用於電力電子相關的產品，基板技術發展的課題在於磊晶膜厚達到預定厚度較為困難，目前是使用LED磊晶製程常用在藍寶石或SiC基板進行外延生長的做法。除了藍寶石基板與SiC本身基板成本較高的問題外，GaN on Si進行磊晶與外延生長時，需注意層與層之間的應力造成的變形，這些都是造成良率控制不易的因素，這也使得GaN基板的生產成本為SiC的10倍以上，未來如何有效降低成本為當務之急。
4、碳化矽功率元件(SiC Power Device)材料特性與發展課題
傳統上Si材料為了改善高耐壓化所帶來的導通電阻增加，採用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；絕緣閘雙極電晶體) 結構，但此種結構存在開關的動作中會發生能量損耗過大的問題，產生發熱的問題，不利於應用在高頻環境的驅動。
碳化矽功率元件(SiC Power Device)具有電流在元件中呈現均一垂直流動的特性，因此適合大電流用途。另外由於SiC晶圓為莫氏硬度9.25~9.5 (僅次於鑽石)之超硬材料，燒製SiC晶圓需2000°C以上高溫(Si僅需1500°C)，以及350MPa以上的高壓環境，產能有限，品質不易穩定。此外在最末段拋光加工製程仍需移除材料1~2 μm之深度，以傳統CMP 拋光晶圓需耗時甚久而提高加工成本，造成SiC晶圓成本約是Si的10倍以上。
應用面上，SiC-MOSFET的應用集中在高頻高壓的產品，如PV(Photovoltaic；太陽能光電)、EV(Electric Vehicle；電動車)充電、智慧電網、汽車相關應用(如車載充電器、逆變器)、基礎設施(伺服器)、電源儲能、充電站等領域，其中在車用領域潛力最大。雖然目前單個SiC元件的成本高於傳統Si元件，但SiC元件模組由於功耗、體積等特性表現相較過去Si材料在電池、冷卻成本降低、進一步增加車內空間，因此對電動車或油電混合動力汽車市場極具吸引力。故未來SiC Power Device市場規模最大的應用為汽車領域，主要在歐洲與中國的大型商用車與高階車款，之後會逐漸朝向中低階車款進行滲透。
(三)碳化矽功率半導體元件的崛起
為了要節省能源，降低碳排放量，再生能源系統、電動車和軌道系統都致力於提升效率，降低功率消耗，在這些系統中，功率半導體元件（二極體和電晶體）扮演著相當重要的角色，因為在電能處理器（converter/inverter）的開與關之間，功率就會在高功率金氧半場效電晶體上被消耗掉，產生導通損和切換損。因此，在導通期間，高功率金氧半場效電晶體要有低導通電阻（Ron），才能使消耗在電阻上的功率降低；在截止期間，高功率金氧半場效電晶體要有低逆向漏電流，減少額外的功率損失；在開關切換時，逆向回覆時間要短，才能使元件完全截止。
碳化矽超功率金氧半場效電晶體可以應用到5G、再生能源系統、電動車和國防工業領域，除了能達到節能減碳的目標，並能促進第三代半導體產業發展，國防產業升級，催生新的產業和經濟模式，是國家發展的關鍵技術。
在半導體材料方面，碳化矽材料所能承受之最大電場強度為矽材料的十倍，所以碳化矽半導體元件可以降低導通電阻，加上碳化矽的本質濃度低及寬能隙的特性，使得碳化矽元件在高溫操作下不會像矽元件一樣產生大漏電流，而且，碳化矽逆向回復時間也比矽短很多，使得切換損失大大降低，又可以在高頻下操作，減少系統的體積和重量。若將碳化矽蕭基二極體應用在功率因子校正器（PFC）上，PFC體積減少約38%，重量減少約44%；若使用碳化矽二極體在冷氣上，可以減少60%的功率損失；將Full-SiC電能處理器使用在日本的電車上，可以減少36%的功率損失；2020年，Full-SiC電能處理器使用在日本的N700S新幹線上，可以減少7%的功率損失，減少11公噸的重量；Tesla Model 3的電動車也使用碳化矽電能處理器減輕重量，增加續航力，由此可見，碳化矽功率半導體元件可以大幅提升效率，降低功率消耗。
根據Yole Development的統計，全球的碳化矽半導體元件在2023年，年產值會超過600億臺幣，年複合成長率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）達到31％的成長。
碳化矽功率金氧半場效電晶體可以應用到5G、再生能源系統、電動車和國防工業領域，達到節能減碳的目標，並促進第三代半導體產業發展，推動國防產業升級，催生新的產業和經濟模式。
綜上所述，碳化矽半導體是國家發展的關鍵技術之一。
(四) 功率半導體元件的全球市場規模分析
功率元件全球市場規模約140億美元，佔全球半導體市場的3.5％，其中MOSFET規模約68億美元，IGBT約12.6億美元，佔功率半導體元件分別為48％與9％；
根據IEK調查指出，近年受惠電動汽車與油電混和車快速發展，汽車電子化比重提升以及手機快充，物聯網（IOT）新應用興起，功率元件在提高能源轉換效率上佔據重要地位，產業需求逐漸提升；而未來電動車半導體的需求為傳統汽車的兩倍以上，預期MOSFET等功率元件用量將大幅提升。
MOSFET與IGBT市場過去皆呈大廠寡占的態勢，英飛凌，安森美與瑞薩佔MOSFET市場近50％，IGBT市場英飛凌，三菱電機與富士電機三家市佔率更達61％；此類IDM垂直整合大廠以英飛凌為首，均優先將產能給毛利率較高的新產品，相繼退出中低壓MOSFET一般消費性產品線，導致MOSFET供需缺口擴大，使台廠自去年第2季開始即逐漸感受到轉單效應，預料這股缺貨風潮恐將持續下去。
在晶圓供給方面，MOSFET與IGBT產品考量8吋光罩費用僅12吋的1/10，加以功率元件還有不漏電的要求，尚無法做到尺寸微縮等原因，台灣與大陸的MOSFET功率元件IC設計公司都投產在8吋晶圓廠；然由於指紋辨識，影像感測器（CIS），電源管理（ICPMIC）等IC產品，受到資安需求提升，對8吋晶圓需求亦增加，致使全球8吋晶圓投片量提升。
MOSFET市場的供需失衡，讓台廠迎來多年以來難得的成長契機，上游IC設計方面，大中（6435），傑力（5299）在PC市場與消費性電子產品較具競爭優勢，預計下半年供需仍吃緊態勢下，對下游的議價能力轉強，有助其獲利表現；在晶圓生產方面，世界先進（5347）8吋產能滿載，加上電源管理營收佔比持續提升改善產品組合，未來營運展望樂觀。
此外，隨著氮化鎵（GaN）的相關分離式元件的制程研發，對IGBT等高壓市場需求增強，強茂（2481）預期未來能搭上IGBT代工潮，且積極導入自動化並進行車規認證，目前產能滿載，2018年預估產品平均漲幅15〜20％，後續成長可期; MOSFET及IGBT等產品雖早已應用於電子產品，然近年市況匹變，需求大增，將迎來一場功率半導體元件的逆襲。
從材料特性的觀點來看，材料的能隙是將電子從其價帶釋放到導帶所需的能量。Si具有1.12 eV(電子伏特；electron volt)的能隙，但SiC(碳化矽；Silicon Carbide)和GaN(氮化鎵；Gallium nitride)這類的材料則具有2.86 eV和3.4 eV，比Si材料更寬的能隙，具備較高的電子遷移率，讓接合處累積的電荷可以更快地釋放，使得寬能隙材料(Wide Band-gap)所製備的半導體元件將能夠實現更快的切換速度。
寬能隙材料所製造出來的功率半導體(power semiconductor device)由於能提升電力使用效率，降低功耗，材料特性上較Si材料為佳，因此在5G相關應用，以及電源供應器、鐵路運輸、車用電子系統等應用層面備受期待。
從未來功率半導體元件的市場規模來看，至2023年時，預估低耐壓MOSFET(金氧半場效電晶體； Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)與High Power IGBT(絕緣閘雙極電晶體；Insulated Gate Bipolar Transistor)、Power IC三種技術為市場中的主流，而寬能隙材料的SiC市場也將逐步成長。
過往在半導體製造的議題上，一直是以邏輯IC(Logic IC)為重點，強調如何透過元件的高度集積，來增加IC本身的運算速度與降低功耗。
由於類比IC(Analog IC)的設計技術門檻較高，早期臺灣相關設計人才投入較少，Analog IC的相關設計與製造在臺灣並未成為主流，而其中Power Device的領域更是的廠商較少觸及的話題。
然而隨著5G與IoT機能的擴張，以及對裝置電子化議題日漸蓬勃發展，對充電以及新能源的轉換需求大舉擴增，造成市場對功率半導體需求不斷增加。
下一階段的後功率半導體時代期待新一代寬能隙材料在製程與材料上的持續變革，推升生產良率與量產性。
就應用層面來看，SiC Power Device未來因新能源來源日益增加，IoT電子裝置對功耗、充電等議題需求攀升，為SiC Power Device的擴大化帶來新機會。
而GaN Power Device適合應用在高溫、高頻的操作環境，在散熱性能具優勢，可應用於5G基礎設施相關晶片。
因此功率半導體技術與市場擴大化揚帆待發，未來市場可期，也讓臺灣業者開始啟動新一波的投資風潮，使得功率半導體成為晶圓代工8吋廠轉型新選擇。
相信隨著新興應用的需求的日漸開展，多樣化的Power Device產品亦將逐步滲透到我們的日常生活當中，成為不可或缺的半導體元件技術。
四、「第三代半導體」已屬國家戰略物資
砷化鎵晶圓代工龍頭穩懋 (3105-TW) 董事長陳進財談及第三代半導體產業發展，認為應用層面將涵蓋人類生活、太空、雷達、軍工、國防等，屬於國家戰略物資之一，也不可輕忽大陸擬砸人民幣10兆元扶植產業的影響。
從第一代到第三代半導體並非是取代關係。
第一代半導體以矽 (Si) 為主，應用在運算、儲存、感測上，第二代則以三五族砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 代表，在資料傳輸上扮演運送神經的角色，因此第一代、第二代半導體可互相搭配應用。
其中，第三代半導體則以氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等具備高速、抗高溫高壓的化合物為主，適合應用在高速傳輸、太空站、人造衛星、雷達、路由器、物聯網 IoT、車聯網等，甚至是軍工、國防應用上，屬於國家戰略物資的一環。
但面對大陸積極以政府之力扶植產業，台灣面臨的挑戰不可輕忽。
目前台灣在長晶、基板上落後大陸，其中，大陸長晶技術品質已接近Cree的二級品，台灣則還不到二級品的程度，但目前包含環球晶 (6488-TW)、太極 (4934-TW) 也積極提升相關技術，穩懋也積極協助。
未來，人才將是台灣產業升級面臨的挑戰之重中之重。
目前台灣半導體化合物設計及製造人才都相當缺乏，因此如何進行產學合作，培育專業人才、共同開發研究，是當務之急。
五、臺灣化合物半導體的贏者策略
半導體材料的發展，已從第一代的矽；第二代的砷化鎵（GaAs）／磷化銦（InP）；演進到第三代，以氮化鎵（GaN）及碳化矽（SiC）為主的化合物半導體。尤其目前電動車、5G、再生能源等新興應用快速普及，在功率及電力元件的需求帶動了化合物半導體的蓬勃發展，吸引大廠爭相投入。研究機構 Allied Market Research 指出，估計化合物半導體2024年產值將達530億美元，年複合成長率為7.3%，高於矽基半導體的2.5%。
目前 SiC 國際大廠透過自主研發、併購、上下游結盟等方式，打造整合元件製造（Integrated Device Manufacturer；IDM）的一條龍模式；而美、歐、日、韓、中等主要國家，皆已將化合物半導體視為國家戰略的重點項目。
未來3到5年，最被看好的化合物半導體為SiC高功率元件以及氮化鎵高頻元件（GaN-on-SiC），全球 SiC 基板（substrate）三大龍頭業者分別為 Cree、Rohm（SiCrystal）以及 II-VI，其策略及強項各有不同。
Cree 已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌（Infineon）及意法半導體（ST）等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定。（英飛凌提供）
Cree 已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌（Infineon）及意法半導體（ST）等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定。（英飛凌提供）
產學合作打造材料及設備優勢
美國大廠科銳（Cree）全球 SiC 晶圓排名第一，市占高達 6 成，被認為可最快達成 8 吋晶圓量產。楊瑞臨分析，「Cree 積極推動產學合作，很值得國內參考，它在美國紐約州及北卡羅萊納州有許多學校支持；化合物半導體材料及設備的發展，最需要產學合作的長期投入。」
1、Cree 的策略不止是供應晶圓，也朝下游功率元件發展。
該公司已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌（Infineon）及意法半導體（ST）等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定；在功率元件方面也直接與一線大廠供應商 Delphi Technologies、ABB 等合作。
2、另一大廠 Rohm 於 2009 年即收購碳化矽元件廠商 SiCrystal，在高功率元件及模組技術相對領先，目前已推出第四代 SiC MOSFET。
SiCrystal 母公司羅姆集團（Rohm）原本就擁有廣大的出海口，包括日系車廠及重工業製造商，近年更在國際上加速結盟，尋找更多終端應用商機，例如與電動車動力系統廠 Vitesco Technologies 合作，提供 800V 逆變器的 SiC 功率元件。
3、美國雷射光學元件設計製造商貳陸公司（II-VI）是全球率先發表 8 吋 SiC 基板的廠商，過去 3 年透過併購、結盟，實現了供應鏈整合，並成功擴展市場。
II-VI 前（2019）年收購光通訊以及 iPhone 臉部辨識技術供應商菲尼薩（Finisar），營收出現爆炸性成長，也串接垂直供應鏈，與日本住友電氣合作開發 5G 應用的 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓、為歐盟的「展望 2020」計畫（Horizon 2020）供應實驗用 SiC 基板、並取得美國奇異（GE）集團授權，進入 SiC 功率元件的製造。
因此，「II-VI 最值得臺灣借鏡之處，是它以碲化鎘（CdTe）以及硒化鋅（ZnSe）化合物半導體起家，成功跨足新一代化合物半導體」；臺灣產業同樣擁有不少化合物半導體的能量，參考 II-VI 的發展軌跡，有助於打造最佳策略。
4、大陸在十四五計畫中提高 SiC 位階，列入第三代「半導體產業」。
目前大陸 SiC 全球市占率尚低，但 SiC 設備已有自製自研能量，由於內需龐大，未來潛力不容小覷。
大陸也透過政策補貼促進產業發展，例如三安光電、天科合達，過去兩年接受的補貼金額即超過 1,500 萬人民幣，天科合達 2019 年稅前盈餘更有 7 成來自補貼。
5、日本政府在第六代行動通訊（6G）重要藍圖中，將化合物半導體納入重點項目，以滿足未來超低功耗的需求。
在5G 資料中心與網路，耗能都相當可觀，更何況是 6G，因此日本政府積極從上游材料尋求解決方案，除了 SiC 之外，GaN、三氧化二鎵（Ga2O3）都是材料技術選項。
6、南韓新一代半導體政策有三大發展重點：一是確保電力半導體的競爭力，在初期階段即加以培育；二是開發以 SiC、GaN、Ga2O3 三大寬能隙材料為基礎的新一代化合物半導體，打造從元件、模組到系統的綜合價值鏈；三是建立認證及人才培育能量，以支持供應鏈發展。
7、臺灣在化合物半導體的發展利基。
首先是8吋 SiC長晶及磊晶設備自主、8吋 SiC晶圓製程關鍵設備與材料源自主；加上完備在地供應鏈，催生化合物半導體的在地能量。
其次是臺灣在化合物半導體的發展，有工研院的研發能量為奧援。
化合物半導體應用仍在萌芽階段，以往臺灣的矽基半導體產業，優先發展後端，前端多仰賴國際大廠；如今培植化合物半導體產業發展，可從源頭補鏈，例如 SiC 長晶為最大技術門檻，另外 SiC 晶圓生產價格仍居高不下，透過自建設備將可帶動效益倍增。
工研院量測技術發展中心副執行長陳炤彰指出，臺灣發展化合物半導體的贏者策略，是充份連結上下游。面對研發瓶頸時，不應只聚焦製程的改善，還要從量測及認證的角度來思考。「仰賴以往的破壞式檢測，將導致製程變數大且時程拖延；若能將量測整合於製程中，從前段的長晶、磊晶到後段的元件、系統，每一步驟都即時改善製程，相信臺灣可以稱霸全球。」他也強調認證的重要性，唯有建立安全認證、功能認證及符合國際法規的作法，才能搶下國際市場的入場券。
最後是將智慧製造導入化合物半導體製程，因為，目前全球化合物半導體尚無標準製程，臺灣若能導入智慧製造，將是一大利基。舉例來說，長晶製程從 4 吋演進到 6 吋，不止牽涉設備擴充或參數調整，而是多重耦合的物理模型，若能找出定性的長晶發展趨勢，再透過 AI 模型分析，在後續修正製程時，就能準確預測溫度、噴流量等細微的參數變化，讓長晶的微調製程更有效率。
總之，國際現行化合物半導體商業模式以 IDM一條龍為主，而臺灣過去擅長「小型設計廠結合晶圓代工」模式，原本不容易成功，但在中美貿易戰、地緣政治、5G 與新能源基礎建設帶動龐大需求等因素加持下，國內產業找到很好的切入點，若能由政府協助建立完整供應鏈，並強化出海口的發展，將可大幅提升臺灣在化合物半導體領域的未來競爭力。
六、跋尾—-大陸在第三代半導體的領域急起直追
- 台灣是中美科技爭霸戰下的棋子、也是棄子
誠如美商務部長雷蒙多近日所洩口風：「美希望減少依賴台灣晶片、對中國祭關稅很有用的。」
雷蒙多稱，美國為減少依賴台灣晶片，可能補貼歐盟等外國晶片製造商。
美國擁有高通、英特爾和 Nvidia 等本土巨頭，晶片設計和智慧財產權仍處於全球領先，但欠缺自我半導體生產能力，幾乎完全依台灣和中國，尤其台灣已是全球最大的半導體製造基地，其晶圓產能高居全球第一。
但雷蒙多表示：「降低地緣政治風險是美國減少對台灣晶片生產依賴的原因之一。」
她會運用拜登政府提撥的520億美元半導體扶植計畫基金，扶植設在美國的歐美晶片企業——即「白色半導體聯盟」。
此歐美聯合抗中之舉，台灣半導體產業供應鏈，尤其台積電帶領的「護國群山」，都很難置身其外。自保之道，只有不斷技術升級，讓中美各國有所求，那麼才有一處安身立命之地。
- 傲氣面對萬重浪‧熱血男兒當自強
目前台灣在第三代半導體領域，是「製造強，兩端弱」，做代工製造的公司很多，但有能力設計第三代半導體 IC 設計的公司卻不多。
因為高頻電路設計需要數學、物理、電磁波理論基礎；功率 IC 設計需機電（機械、電子、電機）整合背景，設計人才非常稀有。
另外，台灣也需要突破基板製造的技術；例如，製造通訊 IC 需要絕緣碳化矽基板，如果台灣有能力自製基板，穩懋和宏捷科的發展會更為快速。
在發展第三代半導體上，不管台灣、還是大陸，與歐美仍有不小的差距。
例如目前全球主流車廠電動車規格已往800伏特高壓平台發展，意即對台廠來說較為困難的碳化矽將成主流。而名列全球前10大半導體廠英飛凌，在發展碳化矽技術已超過25年，且已有20家車廠在使用及評估英飛凌的碳化矽產品。
目前，大陸急起直追，拚命投資第三代半導體。
例如華為投資碳化矽磊晶公司瀚天天成；長期生產LED 的三安光電，也因為使用的材料相近，發展受到矚目。但三安光電的化合物半導體產能約為1,500片，跟台灣穩懋、宏捷科數萬片的產能相比，仍有不小差距。
但台灣不可輕忽的是，大陸追兵虎視眈眈，且擁有強大的半導體 IC 設計能力。
而且，未來不只電動車需要第三代半導體，從提升太陽能發電效率，縮短電動車充電時間，到提高資料中心的用電效率，縮小行動裝置電源體積，都用得上這項技術。
- 溫馨叮嚀：十年磨一劍、勿錯過、勿躁進
在此特別提醒，「第三代半導體」概念的投資方向明確，但短線炒得過火，個股獲利能力尚在萌萌期，尚須經8月初季報考驗，最好等待全球股市的高估值進行一波大修正後再定點投資，投資人才能兼顧風險與利潤。
總之，十年磨一劍，必須有耐心，「第三代半導體」是未來各國搶占電動車、新能源，甚至國防、太空優勢，不能忽視的關鍵技術，誰能在這個領域領先，誰就能在下個十年勝出，有機會成為下一個「護國傳奇」。
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