中國欲藉化合物半導體彎道超車,有其難度

劉佩真
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全球半導體目前的大宗與主流依舊是元素半導體矽(Si),主要應用於邏輯IC和記憶體IC,通稱為第一類半導體;而先前出現的化合物半導體砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)主要用於手機和基地台功率放大器、雷射、光纖傳輸,此為第二類半導體,國際業者以IDM型態為主;至於近年來備受關注的化合物半導體則以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表,即第三類半導體,可應用於光達、車用二極體、5G、衛星通訊功率放大器、馬達控制器、風力發電等電力控制系統。

事實上,化合物半導體具備高功率密度、縮小產品體積的特性,且在高頻、高溫與高電壓的環境下,仍有極佳效能,因而有鑑於未來5G/6G、低軌衛星、綠能、電動車、軍事國防等市場將蓬勃發展,再加上國際間節能低碳排的要求,開啟化合物半導體龐大市場需求之下,預料全球化合物半導體產值也將同步擴大,成為科技產業競逐的新戰場,也更是美中科技戰框架下,中國亟欲將第三類半導體打造為科技領域的突破點,甚至是彎道超車的領域,以求躲避美國目前多數對於中國半導體管制著重於第一類半導體─矽的部分,而期望在化合物半導體能大力發展,藉此重拾先前中國半導體業黃金發展時期。

圖片來源:達志影像/美聯社

全球第三類半導體市場中的碳化矽,美、歐、日企業為領先者,中國是後進

從產業鏈來看,碳化矽基板是價值鏈核心,未來如果碳化矽基板價格能下跌,預料將是推動碳化矽(SiC)產業鏈發展的核心環節,因而碳化矽基板的發展也是未來碳化矽(SiC)降低成本、增加效能和商業化落實的核心驅動因素。而全球第三類化合物半導體國際指標性廠商包括Wolfspeed、II-VI、Cree、Rohm、Infineon、STM、ON Semi、Mitsubishi等,皆以美國、歐洲、日本等企業為主,前五大業者已掌握國際88%的版圖,美國、歐洲、日本企業為全球碳化矽(SiC)行業的領先者。

而國際大廠在碳化矽基板和磊晶領域、降低電力損耗、碳化矽的結晶結構、半導體裝置的構造等方面皆具有相當的競爭優勢;至於中國為後進者,代表性的廠商包括三安光電、天岳先進、天科合達、斯達半導體、時代電氣、新潔能、士蘭微、東微半導體、博敏電子、中芯國際、韋爾股份、卓勝微、同光晶體、泰科天潤、英諾賽科等,重點企業集中在長三角、珠三角、閩三角、京津冀、中西部地區。

中國半導體業因面臨美國卡脖子問題,所以頗有期望能於第三類半導體彎道超車的意味,特別是政策大舉加碼,當然也掀起全球市場更加關注此市場

由於現階段全球八成以上以矽為主的大宗半導體市場,皆在美國、台灣、韓國、日本廠商所占據,再加上美中科技戰未見降溫的影響,美國禁止對中國輸出包括高階半導體設備及材料在內的科技產品,甚至是關鍵的核心晶片、EDA,使得中國在主流矽半導體技術難以取得進一步突破,更遑論超越美日韓台,因此中國企圖將部分資源放在第三類半導體,期望能在全球發展尚未成熟之際,搶奪國際版圖與影響力,扭轉目前半導體業遭到美國打壓的劣勢,畢竟第三類半導體所使用的技術僅需成熟製程,且該產品應用於電動車或綠能等市場,中國本身的胃納量相當足夠。

在上述情況下,中國官方於十四五計畫當中積極布局第三類半導體,也投入龐大金額進行投資;中國第三類半導體業者擴產舉動也不斷,包括士蘭微啟動「SiC功率零組件生產線建設專案」,專案計劃投資15億元人民幣,再者三安光電旗下全資子公司也簽署一項38億元人民幣的SiC晶片「戰略採購意向協定」,甚至時代電氣亦投入4.6億元人民幣對原有SiC產線進行產能的擴充。

中國於第三類半導體的專利和論文技術的創新轉化率較低

雖然中國電動車銷售量持續成長,帶動對於功率半導體需求,但中國多家碳化矽(SiC)業者如露笑科技、天岳先進等,2022年業績皆呈虧損狀態,代表著現階段中國第三類半導體廠商營運績效仍有待改善,特別是對岸的材料端良率、可靠性和穩定性與國際大廠存有差距,且導電型碳化矽基板、半絕緣型碳化矽基板與國際大廠水準尺寸相差約一代左右;甚至中國第三類半導體業者雖然期望後發先至,但由於技術研發與製造人才培養周期長,導致人才長期短缺,因此中國與國外企業仍有相當程度的技術差距,僅是未來的發展進程仍值得關注。

整體而言,化合物半導體是兩種以上的元素結合,必須考慮晶格及原子的匹配性,在晶球生長及晶圓加工的階段更為困難,況且現階段全球化合物半導體技術多掌握於國際IDM大廠手上,特別是美歐日等重量級業者充分掌握化合物上下游所有環節,例如原料取得、長晶設備、切磨拋技術,來打造高良率與高品質的產品,作為相關應用的良好基礎,進而催生豐富的產業生態系。

因此中國能否藉由政府大量資本投入而快速切入並在全球化合物半導體中掌握競爭優勢,此部分仍有相當高的門檻;況且中國朝向第三類半導體積極發展,雖然此一方向有助於中國參與國際競爭的腳步,但第三類半導體佔整體半導體業的比重僅不到5%,顯然不能完全解決中國在美國禁令之下,所面臨到半導體發展受限的窘境。

此文章與信傳媒同步刊登

作者為台經院產經資料庫總監、APIAA理事

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