若台積電能透過產能支援與學界合作，對於台灣發展光子積體電路非常有幫助，同時也能協助台灣製造業及早在光子積體電路製程領域練兵，待產業起飛時必能占據最佳的產業地位。 了解到前三代半導體差異後，我們接著聚焦於第三代半導體的材料──SiC 和 GaN，這兩種材料的應用領域略有不同，目前 GaN 元件常用於電壓 900V 以下之領域，例如充電器、基地台、5G 通訊相關等高頻產品；SiC 則是電壓大於 1,200 V，好比電動車相關應用。 第三代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，在 5G、電動車、再生能源、工業 4.0 矽基板 發展中扮演不可或缺的角色，即使常聽到這些消息，相信許多人對它仍一知半解，好比第三代半導體到底是什麼？ 對此，本系列專題將用最淺顯易懂、最全方位的角度，帶你了解這個足以影響科技產業未來的關鍵技術。 由於5G、電動車、高頻無線通訊及國防航太等新興科技趨勢的興起，產業對於高頻率、低耗損的表現需求日益增加，如何在高溫、高頻率及高電壓等惡劣環境作業下損失較少功率的化合物半導體材料，備受產業期待。 而基於碳化矽（SiC）晶片製作寬能隙半導體的器件，能夠滿足傳統矽基半導體所不能滿足的諸多優點。
在技術上，環球晶對碳化矽晶片表面進行加工，以有效改善碳化矽晶片表面產生的缺陷及平整度不佳的問題[1]。 然而，隨著產業的發展和半導體製程的演進，在設計、技術研發上的成本拉高，生產製造的費用也不停墊高，半導體產業鏈一條龍的運作模式逐漸出現轉變，半導體市場逐漸走向專業分工，例如晶圓、IC設計、製造代工、封測等流程，形成更多半導體產業的切分。 在發展第3代半導體上，不管台灣還是中國，與歐美仍有不小的差距。 名列全球前10大半導體廠英飛凌，高級經理高金萍接受本刊採訪時表示，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。 英飛凌發展碳化矽技術超過25年，已有20家車廠在使用及評估英飛凌的碳化矽產品。
矽基板: 台積電、中美晶、漢民 主要逐鹿者
高金萍指出，未來不只電動車需要第3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。 第3代半導體的市場還在起步階段，「第2加第3代半導體占全球半導體市場的比率，不到1成，如果只看第3代半導體，也約只有1/100。」王尊民說。 矽基板2023 而根據工研院產科國際所統計，化合物功率半導體（即第2和第3代半導體）去年市場規模約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。 根據《財訊》報導，過去30年，台積電、聯電擅長製造的邏輯IC，基本上都是以矽做為材料。 「矽基本上是一種相當全能的材料。」工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨觀察。
為了降低基板和磊晶層之間的應力，避免基板彎曲及破裂的現象產生，環球晶提出一種磊晶用的基材，包括利用複數層堆疊的原子層形成品質較高的緩衝層，進而提升基材上磊晶層的品質及元件的效能[4]。 並提供一種包括背擴散阻擋阻障層的磊晶結構，除了可改善磊晶結構晶格的匹配性，其中該背擴散阻擋阻障層的碳濃度沿厚度方向為步階式變化或步階漸變式變化，可同時具有擴散阻擋作用與改善載子侷限能力，進而增加半導體元件的特性[5]。 矽基板2023 因此碳化矽晶片表面品質，例如缺陷率和平坦度，會影響於其上形成磊晶薄膜的品質，嚴重會引起漏電和降低電子遷移率，進而影響半導體元件製作的性能。
矽基板: 磊晶技術困難、關鍵 SiC 基板由國際大廠主導
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● 氮化矽陶瓷材料具有高溫強度好，耐熱衝擊性非常好的精密陶瓷材料。 要生產出碳化矽（SiC）單晶（monocrystal或single crystal）基板，須從長晶（生長碳化矽單晶）做起，作法是將碳化矽粉體倒入長晶爐，在高溫且密閉的空間使其昇華，讓晶源粉末的蒸汽冷凝後，附著在碳化矽晶種上。 矽主要以含氧化合物的形式，作為僅次於氧的最豐富的元素存在於地殼中，約占地表岩石的四分之一，廣泛存在於矽酸鹽和矽石中。 雖然動物通常對於矽的需求是微量的，但在生物學裡，矽是一種必要的元素。 在多種的海綿動物門及微生物裡，像是矽藻及放射蟲會分泌由二氧化矽組成的骨骼物質。
矽基板: 中國開發商自救 廣東珠海「5折」賣房開第1槍
據了解，矽創當前手握歐系及亞洲客戶大單，使車用、工控等相關訂單表現相對持穩，雖然消費性景氣不佳，不過法人指出，矽創透過相對較高毛利的車用、工控等相關產品線，且下半年出貨有機會達到逐季成長。 矽力-KY下午舉行線上法人說明會，陳偉表示，第2季隨著晶圓產能緩解，新產品與新客戶同步增加，單季營收新台幣35.97億元，季增約5%。 在全球總體經濟不佳，以及終端消費性電子產品需求不振，使得電源管理IC需求和報價皆疲弱，衝擊矽力-KY營運表現。
- 用矽光電平台整合電路與光電技術，配合政府產業政策，開發在智慧載具、物聯網、智慧生活及下世代網路等產業創新應用。
- 目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導體（STM）、ROHM、三菱電機（Mitsubishi）、富士電機（Fuji Electric）等國際大廠主導，以 6 吋或 8 吋晶圓為主；台廠則以 4 吋為主，6 吋晶圓技術尚未規模化生產。
- 矽主要以含氧化合物的形式，作為僅次於氧的最豐富的元素存在於地殼中，約占地表岩石的四分之一，廣泛存在於矽酸鹽和矽石中。
- 第3代半導體的市場還在起步階段，「第2加第3代半導體占全球半導體市場的比率，不到1成，如果只看第3代半導體，也約只有1/100。」王尊民說。
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- Si₃N₄-BN系水準連鑄分離環是一種細結構陶瓷材料，結構均勻，具有高的機械強度。
- 正是由於氮化矽陶瓷具有如此優異的特性，人們常常利用它來製造軸承、氣輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。
第一是美國電動車大廠特斯拉（Tesla）搶先採用第三代半導體碳化矽（SiC），讓 SiC 元件得以實際發揮散熱性佳，及提高電動車續航力等特色。 目前的電動車主要是200V-450V的電池動力系統，更高階的車款則將推進到800V的電池動力系統。 市場對於延長電池的續航力、增加電池容量，及縮短充電時間等有極大需求，電池將朝高電壓800V的方向發展，這使能承受高電壓的SiC被寄予厚望。 矽基板2023 根據意法半導體的觀察，只要是800V的電池動力系統，都將會是SiC的市場。 目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導體（STM）、ROHM、三菱電機（Mitsubishi）、富士電機（Fuji Electric）等國際大廠主導，以 6 吋或 8 吋晶圓為主；台廠則以 4 吋為主，6 吋晶圓技術尚未規模化生產。
矽基板: 國際大廠發展速度有加快 台廠需加緊腳步
元素矽也在世界經濟上有很大的影響，矽通常會與天然礦物一起加工，其用途廣泛：包括建築業使用的粘土、矽砂和石頭。 波特蘭水泥中的砂漿和灰泥組成也含有矽酸鹽，可與矽砂和礫石混合成混凝土，用於走道、地基、道路上。 它們還用於白色陶瓷，像是瓷器，也可用於製造傳統的石英鈉鈣玻璃和許多其他特殊玻璃。 矽最廣為人知的用途是去合成以聚矽氧聚合物為基礎的合成聚合物。 大多數游離的矽被用於鍊鋼、鑄鋁和高質量的化工業上（通常是製造氣相二氧化矽）。
目前，中國也拚命投資第3代半導體，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。 但業界人士透露，以三安光電為例，化合物半導體產能約為1500片，跟台灣穩懋、宏捷科數萬片的產能相比，仍有不小差距。 《財訊》分析，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元件，為電動車轉換電能。
矽基板: 碳化矽發展長晶為關鍵，台廠需加快腳步
根據英飛凌提供的數據，同樣一輛電動車，換上碳化矽晶片後，續航力能提高4%，由於電動車每1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，碳化矽晶片將占汽車電子功率元件兩成。 第1，是將氮化鎵材料用來製作5G、高頻通訊的材料（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。
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。 第三代半導體（包括 SiC 基板）產業鏈依序為基板、磊晶、設計、製造、封裝，不論在材料、IC 設計及製造技術上，仍由國際 IDM 廠主導，代工生存空間小，目前台灣供應商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。 楊瑞臨說，SiC 基板不僅占功率元件成本比重高，且與產品品質密切相關，SiC 基板將是 SiC 發展的一大關鍵，包括意法半導體（ST）等廠商皆積極朝上游 SiC 基板發展，以強化競爭力，值得台灣廠商參考。 電動車、5G 基建帶動功率元件需求，第三代半導體具重要地位，中國、美國等主要國家紛紛政策推動，國內外企業也爭相投入。 矽基板2023 台灣半導體製造技術執全球牛耳，晶圓廠CMOS製程技術領先全世界，矽光子技術先天與CMOS製程相匹配，相當適合台灣高科技產業發展。
矽基板: 市場剛起步 誰能成為下個勝利者？
隨著各國的綠能政策推動、碳排放標準的限制，電動車銷售量預估到2030年將達到2200萬輛，市場規模成長近10倍。 美國與歐洲，多國政府領袖宣佈將於2035年，汽車全面採用乾淨能源。 第三代半導體生產成本高昂，放量生產仍有難度，現階段國內外廠商都朝著策略結盟，透過加強上下游垂直整合能力，將良率提升、降低成本，最終量產。 至於 GaN-on-SiC 的關鍵材料 SiC 基板，製程更是繁雜、困難，過程需要長晶、切割、研磨。
法人指出，由於設備欠缺，台積電到今年底，CoWoS先進封裝月產能僅能從1萬片提高到最多1.2萬片，其他供應商CoWoS月產能可增加到3千片，台積電明年底可望提高產能到2.5萬片，其他供應商則可提升到5千片。 半導體業界指出，生成式AI發展比預期快，以致先進封裝產能趕不上需求，在供不應求情況之下，台積電已將部分產能委外，例如矽中介層（Silicon 矽基板 Interposer）由日月光高雄廠、矽品分食，聯電（2303）也因此與矽品策略合作，美商Amkor韓國廠也加入供應產能行列。 因此，使用塑膠類食品容器或包裝時，要特別注意其塑膠材質為何，避免盛裝過熱或過酸的食品，以免塑化劑或化學有毒物質釋出，危及食品衛生和人體安全喔！ 衛生局也提供了6句口訣，提醒民眾在塑膠使用上要慎選注意，分別是「1、 2不重複、3不微波、4低耐熱、5使用較安全、6遠離熱酸鹼、7類多應慎選」。
矽基板: 特性
GaN 為橫向元件，生長在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，為「異質磊晶」技術，生產出來的 GaN 薄膜品質較差，雖然目前能應用在快充等民生消費領域，但用於電動車或工業上則有些疑慮，同時也是廠商極欲突破的方向。 很多人以為，第三代半導體與先進製程一樣，是從第一、二代半導體的技術累積而來，其實不盡然。 從圖中來看，這三代半導體其實是平行狀態，各自發展技術，由於中國、美國、歐盟積極發展第三代半導體，身為半導體產業鏈關鍵之一的台灣，勢必得跟上這一趨勢。 目前台灣在碳化矽的全球供應鏈占比約7.8%，散布在不同領域內，包括長晶／基板階段有漢民集團、環球晶、中砂轉投資的穩晟、廣運集團以及鴻海轉投資的盛新；磊晶階段則有嘉晶；代工端則有台積電、漢磊、世界、茂矽，其他包括在模組封裝、系統端都有廠商著墨。 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、磊晶製程及晶圓加工階段都算困難。 以SiC為例，將碳與矽兩種材料進行高溫熔融，必須精準掌握高真空度及高溫均勻性等兩大要件，技術難度高，因此成本居高不下。
《財訊》報導指出，這種化合物半導體目前主要仍在六吋的設備上生產，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。 楊瑞臨指出，高功率應用方面，第三代半導體具備寬能隙、耐高溫和高功率密度等特性；在高頻應用方面，具備低能耗和散熱佳等特性。
矽基板: 未來技術發展 攸關電動車省電能力
環球晶因此提供一種包括矽基板和碳化矽層的磊晶基板，藉由形成碳化矽層於矽基板內部，並且控制碳化矽層與第一表面之間的距離介於100埃與500埃之間，因此可藉由碳化矽層解決在磊晶面因自發或壓電極化而產生的界面電阻降低以及寄生功率損失的問題[3]。 IC設計的好壞，不僅受上游晶圓製作的影響，也與下游晶圓代工的環節息息相關。 國立中央大學校長副校長綦振瀛指出，製作第3類半導體晶片，IC設計商一定要與晶圓代工廠密切合作，確保設計出來的產品能夠有相對應的製程，才能做出元件。 事實上，在消費性電子用的電源轉換晶片上，外資指出台積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設計公司Navitas代工生產。
