臺積電的第三代半導體布局

　　第三代半導體逐漸迎來爆發期，這就給相關代工帶來了需求。雖然臺積電方面認為，第三代半導體是個小市場。但這不影響臺積電對碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等化合物半導體市場潛力的興趣。尤其看好GaN，稱其逐漸被市場接受，預期未來十年將有延展更多應用。下面，我們來看一下臺積電在這些方面的布局。

　　01、特殊進程加大馬力

　　無論是SiC還是GaN都屬于特殊制程(專業技術)。臺積電目前正在加速先進制造工藝的開發和量產，但臺積電今年的目標是將其專業技術占成熟工藝的份額提高到60%，首次超過50%，這是一個新的高度。三年前，專業技術僅占臺積電成熟工藝的45%。隨著臺積電今年同時擴大成熟節點的產能，預計特種技術產能，特別是從28nm到16nm的產能，也將增長12%。

　　據了解，臺積電今年的資本出將達250-280億美元，年增45-62%;其中80%將用于3nm、5nm及7nm等先進制程，10%用于先進封裝技術量產需求，10%用于特殊制程。據悉，臺積電竹科12廠與中科15廠都有對應優化制程設計，南科廠方面，南科晶圓14廠第八期也規劃為特殊制程應用生產。

　　先前《日刊工業新聞》曾報導，在日本政府經濟產業省的主導下，臺積電與索尼可能會在日本合資設廠，該工廠瞄準的也是特殊制程，將生產40nm至20nm的制程為主，主要用于汽車、家用電子與機械產業等類別。

　　臺積電研發資深處長段孝勤此前在論壇中提到，臺積電一直投入資源在功率相關的制程工藝技術上，朝降低能耗的目標前進，包括使用在電源管理芯片上的 BCD 工藝。

　　臺積電是第一家采用300mm晶圓生產Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)電源管理工藝的代工廠。2020年臺積電針對各種快速增長的移動電源管理IC的不同集成級別的應用擴展了90nm、55nm和22nm的12英寸雙極Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技術組合。其中，90nm BCD技術覆蓋了從5V到35V的廣泛應用，并將在2021年繼續擴展。臺積電專門優化了5V電源開關，它是用來處理由鋰離子電池驅動的不斷增長的電力需求。此外，其0.18微米第三代BCD制程技術于2020年完成AEC-Q100驗證。

　　02、重點發力GaN

　　臺積電看到未來十年復合半導體的增長機會，尤其是在五個領域的應用：快充、數據中心、太陽能電力轉換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉換器。看好GaN充電特性更快、更輕薄以及更有效率，效率大于過往三倍，同時在數據中心設計上也是如此。

　　早在2014年，臺積電就開始在其6英寸晶圓廠制造GaN組件，并于2015年開始生產用于低壓和高壓應用的GaN組件。憑借其在硅基半導體制造領域的領先地位，臺積電于2017年開始量產GaN-on-Si組件。

　　在此需要科普一下，氮化鎵半導體器件主要可分為GaN-on-Si(硅基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)，GaN-on-sapphire(藍寶石基氮化鎵)等幾種晶圓。不同的廠商對這幾種方式也有不同的看法，由于價格的因素，硅基氮化鎵成為了目前半導體市場主流，而也有人士認為GaN-on-SiC在未來大有可為。我們看到，臺積電也是采用的GaN-on-Si(硅基氮化鎵)技術。英特爾最近在IEDM 2021上發布關于GaNg新的突破，英特爾在300毫米的硅晶圓上首次集成氮化鎵基(GaN-based)功率器件，此研究驗證了300毫米工藝兼容可行性，更適配高電壓應用，增加了功能，提升了大規模制造可能性。不知道此舉是否也意味著，英特爾將代工GaN。

　　2020年臺積電開始量產第一代650V和100V增強GaN高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，該晶體管在2020年迅速達到滿負荷生產。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%，預計2021年投入生產。此外，其100伏空乏型高電子移動率晶體管(D-HEMT)已完成元件開發，具備優異的性能，且通過多家5G基地臺模塊設計公司的工程驗證，預計于2011年進入試產。

　　臺積電研發資深處長段孝勤在今年9月的SEMICON 臺灣在線論壇提到，GaN on Si的挑戰主要是表面的不平整程度考驗，臺積電開發了GaN-on-Silicon技術來滿足功率和RF組件要求，而外延代工也開發了6英寸GaN-on-Silicon晶圓制造技術等。

　　臺積電在GaN代工領域的客戶主要是意法半導體和納微半導體。2020年，臺積電和意法半導體也開始在GaN產品上進行合作，將為ST提供分立產品供應GaN IC，已促成累計超過1 ,300萬顆氮化鎵芯片出貨。除此之外，納微半導體專有的 GaN 工藝設計套件 (PDK) 也是基于臺積電的 GaN-on-Si 平臺開發的。此前納微半導體首席運營官/首席技術官兼聯合創始人Dan Kinzer說。“臺積電的交付和質量結果不言而喻，每月出貨量超過 100 萬個 GaNFast 電源 IC，總出貨量超過 1300 萬個，現場故障為零。”

　　據科技產業咨詢室的報道，目前，臺積電擁有三到四個能夠生產6英寸Epi GaN晶片的MOCVD單元，生產能力為1.5-2Kwpm。而且今年初，業界也傳出了臺積電開始采購氮化鎵機臺設備，數量達十多臺，預估增加產能上萬片，業界推測是有重要客戶顯著增加下單量。

　　03、SiC代工模式漸起

　　碳化硅代工業務比硅代工業務更困難。目前也很少有專門的SiC代工廠。但是隨著SiC的需求越來越大，根據Yole的預測，到2026年整個碳化硅功率器件的市場規模有望達到50億美元，市場空間巨大，其中60%以上用于新能源汽車領域。因此不少代工企業開始加碼布局SiC代工。

　　德國的X-Fab將其位于美國的晶圓廠的 SiC 代工產能翻了一番，X-FAB 被認為是第一家在 6 英寸晶圓上提供 SiC 技術的代工廠。英國的Clas-SiC、臺灣的Episil(臺灣)、大陸的三安和韓國YPT最近進入了SiC代工業務。此外一些 IDM 和硅代工廠也在探索這個市場。

　　臺積電也開始了SiC的相關研究，此前據鉅亨網的報道，臺積電董事長劉德音透露，臺積電已經做了很多與SiC相關的高壓產品，正在與國研院合作，而且臺廠的SiC產能最大。SiC也屬于Spectialy(特殊工藝)技術，據臺積電稱，其目前成熟工藝節點的產能將升級為特殊工藝，以支持化合物半導體在臺積電生產計劃中不斷增長的份額。

　　關于臺積電、Sony的新晶圓廠，三菱電機社長衫山武史在接受FujiSankei Business采訪時表示，新建的晶圓廠和三菱電機的工廠、研發據點距離很近，在SiC功率半導體代工上進行合作是十分有可能的。

　　現在，SiC代工業務體量還是很小，SiC代工業務才剛剛起步。但碳化硅代工廠希望復制成功的硅代工廠模式。雖然在SiC領域，IDM將繼續占據主導地位，但Fabless和代工廠也有空間。

　　04、結語

　　無論是SiC還是GaN，對于國內一眾Fabless企業來說，代工都是必需品。這也將成為我國第三代半導體發展的產能和良率的保證。如臺積電這樣的大的代工廠的重視，將是第三代半導體蓬勃起飛的關鍵性因素。

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