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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/10-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">電動車的大問題之一是充電速度，新的化合物半導體能讓充電速度更快，但體積卻能維持原本大小。</div>
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<p>電動車產業的發展為半導體帶來強勁需求，除了臺灣相當具有優勢的傳統矽晶圓之外，化合物半導體更被譽為明日之星。在臺灣半導體產業受到全球關注之際，化合物半導體的崛起，是否會讓全球半導體產業重新布局？臺灣能否持續占有一席之地？如何將化合物半導體與車用電子，轉變為臺灣的新機會呢？</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電動車產業崛起，帶動化合物半導體市場</span></strong></h2>
<p>受到各國限制碳排放、補貼新能源車等政策影響，電動車產業快速崛起。傳統燃油車需要用到約 500 顆半導體元件與積體電路，而電動車則是 1,000 到 1,200 顆，因此電動車產業的發展，也大幅增加晶片需求量。值得注意的是，電動車所需的半導體元件種類繁多，其中以「功率半導體元件」為提高能源轉換效率的關鍵——這是與電源、電力控制有關的核心元件，能夠應用在電力系統、再生能源、馬達驅動、電池儲能等。好的功率半導體元件必須有效減少功率耗損，以提升電動車的續航力。這和採用的半導體材料有關，而目前最被看好的半導體材料，就是「化合物半導體」。</p>
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<p>目前，元素半導體矽（Si）主要應用於邏輯 IC 和記憶體 IC，較早投入使用的化合物半導體砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）主要用於通訊射頻元件，而近期備受關注的化合物半導體則以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表，因其具有耐高溫高壓、高轉換率、低耗損等優勢，非常適合用於快充、電動車、5G/6G 高頻通訊上。儘管目前技術還未完全成熟，卻擁有極大的發展潛力。</p>
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0); display: block; line-height: normal;"> </div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">SiC：化合物半導體的明日之星</span></strong></h2>
<p>儘管 SiC 晶圓的成本比 Si 晶圓更高，但因其可以提升電動車續航力、減少能量耗損，而且元件結構和驅動方式都比較簡單，一躍成為電動車「功率半導體元件」的好選擇。此外，在高溫環境下，半導體會受熱能激發，產生大量的電子和電洞，使得漏電流增加，導致半導體元件失效。而 SiC、GaN 屬於寬能隙半導體，即使在高溫環境下操作，其較大的能隙降低了熱能的影響，所產生的電子和電洞數量遠低於 Si，因此元件仍能維持正常運作。SiC 的能隙為 Si 的 3 倍，可承受的電壓則為 Si 的 10 倍，導熱係數為 3 倍。對於電動車這種需要高電壓、高電流的產品來說，無疑是更好的選擇。特斯拉於 2017 年率先宣布 Model 3 車款將首次採用 SiC 功率元件時，便是看好其優異的特性能夠取代過去的模組。</p>
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<p>陽明交通大學電子研究所崔秉鉞教授形容，一般充電器的晶片就像家中水龍頭，承載的水量較小、開關都很方便，但電動車需要的電量如同一座水庫，開關要承載的水量非常大，因此功率半導體必須做到「開的時候讓電流快速通過，關的時候又能迅速關閉」，中間必須減少能量耗損、提高轉換效率——這就是功率元件設計上的重點。而過去使用的矽晶圓，雖然也可作為開關使用，但體積較大、啟動速度較慢、能量損耗較高，加上大電壓、大電流通過之後，Si 的功率元件是否能承受高溫、發揮散熱功能，都是一大問題。相較之下，SiC 功率元件的尺寸更小、重量更輕、轉換效率更高，同時具有高導熱性、高散熱性，還能承受更高的電壓，因此就成了更好的選擇。</p>
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">SiC 因其散熱性能佳，不容易過熱，比起矽還能承受更高的電流與電壓，這表示他能承受更高的功率，會讓電動車充電更快或是跑得更快。目前，SiC 已經被用在特斯拉電動車的功率元件中。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">GaN：龐大的快充市場商機與 5G 通訊的未來</span></strong></h2>
<p>至於化合物半導體的另一代表 GaN，目前主要用在高頻率的 5G、衛星通訊，以及較低電壓的電源供應器。以 5G 通訊來看，GaN 可以同時滿足高頻率、高電壓、高功率、低雜訊、低耗電量的需求。隨著 IoT 裝置發展，可串聯大量裝置的 5G 技術變得更加重要，而在 IoT 結合 5G 的未來，也將為自動駕駛、遠距醫療、人工智慧、AR/VR 等發展帶來更大潛力。另一方面，GaN 也被用於較低電壓的電源供應器。清華大學電機資訊學院徐碩鴻院長表示，GaN 目前的主要應用就是快充，其中的商業市場非常龐大，例如手機充電器、筆電變壓器等產品，若使用 GaN，與傳統的矽元件的系統比起來，可以在較高的頻率操作，就能讓體積更小、充電速度更快，且能源轉換效率更高，目前小型基地台（small cell）的功率放大器已經引入 GaN 的技術，未來也有機會用在手機的功率放大器。</p>
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<p>在電動車運用上，GaN 也同樣受到關注，因其可以用在較低電壓的功率半導體元件，與 SiC 形成互補又競爭的關係。從性能來看，SiC 在 1200V 以上的高電壓有絕對優勢，而 GaN 則在中低電壓市場有很大的發展潛力。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/10-4_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">目前市售的手機快充就已經使用 GaN，然而 GaN 的高頻率、低雜訊特性，會更適合在手機基地台做為功率放大器。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">避免命脈被掐在別人手裡，臺灣發展化合物半導體還差這一步</span></strong></h2>
<p>在半導體崛起的世代，臺灣能否持續領航國際？崔秉鉞教授坦言，美國大約從 1980 年就開始研究 SiC，臺灣則是 2010 年才起步，落後國際一大截，但他也指出，在元素半導體 Si 的發展上，臺灣一開始也是落後國際十萬八千里，從 1975 年到 2015 年，追趕了 40 年，才在 2015 年站上世界領先的位置。而臺灣目前在化合物半導體的研究上，有些技術已經能與國際大廠並肩。從整個產業鏈來看，要製作出高效能的化合物半導體產品，從最源頭的材料萃取和晶體成長就必須層層把控，也就是基板的製作，而這正是臺灣目前較需補足的技術。唯有高品質基板，才能讓臺灣領航國際的先進製程技術發揮到極致。</p>
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<p>以 SiC 來舉例，製作基板的方式有物理氣相傳輸法、高溫化學氣相沉積法等。前者又稱為昇華法，是目前主流技術，做法是將碳化矽粉體倒入長晶爐，讓其在高溫密閉的空間昇華。當晶源粉末的蒸氣接觸到碳化矽晶種後，就會冷凝、附著其上。以 Si 來說，大約只要 3 到 4 天，就可以長出 2 到 3 公尺的晶棒，但 SiC 可能過了 2 到 3 個禮拜都長不到 10 公分，而且還得保持在溫度約 2,200 度的低壓密閉空間中，無法即時觀察長晶情形，要到最後一刻才能確認品質。再者，完成晶體成長後，還須將晶錠切割成晶片，經過研磨、拋光，最終才會變成表面光滑的基板。</p>
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<p>在基板完成後、做成功率元件之前，還需要經過磊晶（在原有基板上長出一層新的結晶）的加工階段。這部分的技術發展，臺灣幾乎與國際同步。不過，除了基本製程技術之外，SiC 的功率元件還牽涉到元件設計，而新的設計會需要新的製程技術。臺灣在 SiC 的新製程開發上，確實還需要更多時間累積經驗。此外，國際大廠布局較早，臺灣必須在不侵權的情況下，做出性能更好的產品，難度確實較高，而這也是臺灣未來幾年需要努力的地方，就是以創新的元件設計，開發出更高效能的產品，如此才能在功率半導體的藍海市場占有一席之地。</p>
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<p>另一方面，徐碩鴻院長表示，臺灣對於 GaN 的商業應用，如快充等相對低頻、低壓的領域上，並沒有落後國際，因為我們占有技術優勢。舉例來說，GaN 過去沒有自己同質的基板，主要生長在藍寶石或 SiC 晶圓上。而近期 GaN 長在 Si 晶圓上的品質有許多突破，台積電已投入 GaN 的研究多年，讓 GaN 長在台積電原本的最熟悉 Si 晶圓上（即 GaN-on-Si），投入高壓半導體元件的運用。這些代工設備跟台積電原有的設備相容性很高，因此目前產量已是世界數一數二。不過徐碩鴻院長也指出，較適合高頻應用的 GaN-on-SiC 技術，主要因為源頭的 SiC 基板的緣故，目前還是落後國外的大廠。但臺灣的穩懋半導體目前於 GaN-on-SiC 的高頻元件及 MMIC 製程亦有許多進展，正在迎頭趕上。院長還透露，日本現已投入大量資金研究 GaN 基板及 GaN-on-GaN 的元件，如果成功，不論在高壓及高頻的應用都將具有很大競爭力，臺灣目前則還沒加入。</p>
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<p>此外，崔秉鉞教授表示，目前幾乎有 9 成的 SiC 原料都掌握在美國、日本大廠手裡，然而 SiC 除了車用半導體之外，也能做成國防工業用的特殊元件，或是應用在衛星或航太工程，因此各國政府都有進行管制，特別是在當前全球缺貨的情況下。崔秉鉞教授強調，臺灣一定要建立晶體成長的技術，避免命脈被掐在別人手裡。針對這點，徐碩鴻院長也持有同樣的看法，那就是臺灣的優勢在於系統整合跟實際運用。廠商對於製程都很有經驗，但在牽涉到國際戰略時，國外不一定願意合作，因此晶體成長、晶體分析這些比較基礎的部分，一定還是要自己發展起來。</p>
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<p>（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜陽明交通大學電子研究所 崔秉鉞教授、清華大學電機資訊學院 徐碩鴻院長；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</p>
