本文由半导体产业纵横编译自数位时代
从1947年美国贝尔实验室发明全球第一个晶体管开始，超过70个年头以来，半导体产业已深深改变科技和文明的发展。台积电业务开发资深副总经理张晓强，在2021年10月一场公开演讲里指出：半导体是21世纪的空气。
家电、手机等电子产品，乃至汽车和基础建设应用，都有半导体零组件在其中。2020年初，新冠病毒（COVID-19）疫情袭击全球至今，居家隔离带动电子产品需求旺盛。
长期以来，半导体产业主要环绕着以硅（Si）和锗（Ge）为关键材料的第一代半导体。世界半导体贸易统计组织（WSTS）公布数字也显示，2021年全球半导体产值将达到5530亿美元。
中国台湾工研院产科国际所（IEK）研究总监杨瑞临预估，2020年氮化镓与碳化硅产值占所有半导体约0.3％，2025年将成长为0.6％，整体产值有逾9成都是由第一代半导体贡献。
高功率、高频率优势，构成电源、通讯产业新气象
不同于第一代半导体是单一材料，合计占半导体总产值不到1成的第二代和第三代半导体，都是由2种（或2种以上）材料集结而成，又称为化合物半导体（Compound Semiconductor）。
其中，第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主，由于速率快、低杂讯，是3D感测、光达、射频（手机／基站）的主流材料，具高频与高功率特性，几乎所有手机里都有它。
至于第三代半导体材料，则以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为主，近年来在全球变暖效应促使低碳排放受到瞩目，5G通讯技术趋于成熟，以及电动车、数据中心与能源应用的加速推进，需求正高速起飞。第三代半导体又称宽间隙半导体（Wide Band Gap Semiconductors），但第三代并不能取代第一代或第二代，各类半导体皆有适用的应用领域。以氮化镓和碳化硅为主的第三代半导体材料的优势是，比起第一代和第二代半导体材料，能够承受更高功率、高频率（如毫米波），而且拥有极佳的散热性能，因此可在特殊应用领域大展身手，例如电动车、低轨卫星、太阳能源等。
碳化硅在高功率、高电压的元件上性能优异，能提供更高效率的电子转换能力、带来更好的节能效果，延长电动车电池的续航力，有机会部分取代原本以硅为基础的功率元件。功率元件电子装置的电能转换与电路控制的核心；主要用途包括变频、整流、变压、功率放大等，应用于通讯、消费电子、新能源交通等。特别是特斯拉（Tesla）在2018年推出首款搭载碳化硅逆变器（SiC inverter）的电动车Model 3，更是掀起了汽车业对于第三代半导体的重视。
全球碳化硅基板龙头Wolfspeed在投资日（Investor Day）简报中提及，碳化硅逆变器可以让汽车更轻、更小，节省5～10％的车辆空间，意味着能在车内放入更多颗电池，增加行驶的续航力。
目前包括通用汽车（GM）和福斯（Volkswagen），都宣布将在2022年新车款引入碳化硅相关技术。
与此同时，在碳中和与碳达峰的趋势下，各国政策都支持绿色节能应用，这也成为第三代半导体需求攀升的助力。全球第一大氮化镓功率元件商纳微（Navitas）曾表示，氮化镓的碳足迹比传统硅基功率元件低10倍。业界估计，若全球数据中心都升级使用氮化镓功率芯片元件，能源浪费将减少30～40％，相当于节省100兆瓦时（MWh）太阳能和1.25亿吨二氧化碳排放量。
产业研究机构TrendForce预估，2020～2025年氮化镓功率元件年均复合成长率（CAGR）高达78％，碳化硅功率元件年均复合成长率也有38％的增幅。
此外，尽管第三代半导体由于发展比第一代半导体晚，技术不够成熟，加上部分材料取得不易，生产成本高于第一与第二代半导体，但近年来，由于产能提升、技术进步，使得碳化硅与硅的成本差距从5、6年前的10倍降低至2、3倍，采用率可望提升。
“第三代半导体的高峰期，会比预期来得更早，现在是需求驱动技术发展。”环球晶圆董事长徐秀兰兴奋地说，原本碳化硅8吋厂估计要到2025年才会登上主流，但现在各式应用快速发展，在客户的催促和驱动下，可能提前至2023年发生。
过去受限于造价昂贵及耐高压、高频等特性，第三代半导体主要用于各国国防等领域，直到近年来，才因为技术进展、成本下降，而应用到工业、汽车与消费性电子产业。
为维持国力，各国都将其列为“国安级”产业虽然有日益普及化的趋势，各国仍将第三代半导体视为“国安级”产业，列入重点保护，具体措施包括：颁布政策鼓励投资，或是管制出口。
日本经济产业省（METI）在2021年发布的“半导体战略要点”中，除了鼓励第三代半导体材料的创新之外，更领先全球宣布预先投入第四代半导体氧化镓（Ga2O3）的研究，预计可用于更大的电力充电系统及其电网供应系统。
美国国家安全委员会（National Security Council，为国防授权法案成立的暂时组织，现应正名为美国人工智慧国家安全委员会NSCAI）则于2021年发布厚达752页的《半导体总检讨报告》，在第13章里直接点名国家须重视氮化镓研发的重要性，便是着眼于在通讯与国防应用。
2016年，德国半导体大厂英飞凌（Infineon）曾计划以8.5亿美元买下美国科锐（Cree）旗下的功率与射频元件单位Wolfspeed，却在历经一年的审理后，遭美国政府否决，理由即是“保护国防工业”。
为维持国力，美、中、日、韩等国相继推行第三代半导体政策，确保有技术自主性，日、韩更明确以“电力半导体”做为呼应碳中和的重要投入项目。各国都拥有品牌车厂、资通讯与电力电子产业，需上游第三代半导体企业支持，形成内循环的生态链，类似布局将在国际地缘政治的角力下将日益明显。
并购、合作、抢专利，大厂垂直整合策略保障产能现阶段来看，第三代半导体的主导权仍集中在欧、美、日大厂手中。即使如此，这些厂商也都面临基板的生产量不足，碳化硅晶圆产能不足的考验，因此，各国关键领导厂商无不透过并购、合作、取得专利的方式，设法垂直整合供应链上游。
日本罗姆半导体（ROHM）早在2009年，就收购欧洲最大碳化硅单晶晶圆制造商SiCrystal；瑞士意法半导体（ST）于2019年，收购瑞典碳化硅晶圆制造商Norstel；美国安森美（onsemi）则是在2021年，收购美国碳化硅和蓝宝石晶圆供应商GTAT（GT Advanced Technologies），目的都是为了掌握足够的碳化硅晶圆产能，或更加深化外延成长技术。
拓墣产业研究院分析师王尊民指出，第三代半导体基板居高不下的成本，一直是发展受限的主因，价格大概是传统硅基板的5～20倍。
基板大厂如Wolfspeed和罗姆半导体已预计在2025年之前，分别投入10亿美元、850亿日元，大举扩充产能；Qromis等公司，也预计于2022年量产8吋基板，有助于缓解供不应求现况，并逐步下调基板售价。
凭借着中国台湾在全球半导体产业既有的主导地位，面对第三代半导体在国际上已有多家巨型垂直整合制造商（IDM，指包办芯片从设计、制造到销售的流程）各据一方，在这个领域属于后进者的台湾业者，能否建立在优势的基础上，再创佳绩？
中国台湾厂商“打群架”，集团化抢进全球市场杨瑞临指出，“中国台湾的厂商在第三代半导体的战略上，多是以整合产业链的形式进攻。”目前，至少有5个集团从上中下游布局第三代半导体。
晶圆代工龙头台积电，已在氮化镓功率元件上与爱尔兰客户纳微合作，在出货量上称王，集团旗下世界先进也并进布局。
中美晶集团由基板的上游材料向下延伸，不仅投资环球晶发展基板能力，也斥资1,500万美元投资美国高功率氮化镓制造商Transphorm，同时入股宏捷科、朋程，以集团力量扩大供应链。
汉民集团从自身的半导体设备优势出发，透过汉磊投控投资汉磊（代工）及嘉晶，进军市场。
自动化设备广运集团则是与子公司太阳能厂太极联手，合资成立孙公司盛新材料。
鸿海集团在2021年9月正式成立鸿扬半导体，出手并购旺宏6吋厂，并宣布斥资37亿新台币进驻竹科，成立碳化硅研发中心，并结盟业界伙伴创立MIH模组系统平台，打造完整的电动车供应链。
针对涉足新材料的技术门槛，徐秀兰乐观看待，“原理都很像，都要结晶、机械加工及化学处理、抛光，只是每一站的流程跟参数都不同！”因此，有硅半导体经验的工程师，做第三代半导体还是有优势，“会有一些冲击，但有流程环节可对应，较容易懂。”
无论从技术到应用，第三代半导体产业仍处于“起跑阶段”，创造的产值相对于第一代半导体仍难比拟。对于市场的高度期待，或许正如台积电董事长刘德音所言，有一部分想象确实有点“广告效果”。
然而，当科技的演进带动时代的基调，朝着高效能、绿能零碳的大方向走，未来我们除了需要持续仰仗硅芯片的运算力之外，更需要氮化镓及碳化硅，在能源与通讯两大领域，做出突破性的进展。
全球第三代半导体分布图欧美手握关键原料，日本拓展下游设备
第三代半导体由于造价昂贵及耐高压、高频等特性，主要用于国防等领域，直到近年才因为技术进展、成本下降，应用到工业、汽车与消费性电子产业。
盘点各国第三代半导体版图，欧、美包下了上游的材料基板、外延技术；而后段的设备及模组则是由日本所掌握。中国台湾相对是后进者角色，正努力赶上国际大厂步伐。
1.美国
2.日本
3.中国台湾
