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一、5G時代下，射頻元件帶動半導體需求
隨之而來的5G時代，藉由高頻寬、低延遲及廣連結的特性，帶來的效益，不僅是加快傳輸速度，也提升使用者體驗。迎接此5G時代的來臨，通訊頻率朝向高頻段發展，主要為6GHz以下的Sub-6，及24GHz以上的毫米波（mmWave），皆為加快傳輸速度增添風采，未來若要使5G普及應用，除了須解決基礎設施的佈建，智慧手機自身傳遞訊息的關鍵零組件－通訊元件的開發也相當重要。
通訊元件組成主要分成四大部分，分別為基頻晶片（Digital Baseband）、射頻收發器（RF Tranceiver/ Receiver）、射頻前端（RF Front-End）及天線，其中射頻前端元件（簡稱RF元件）由不同功能元件組成，如濾波器（Filter）、放大器包含功率放大器（PA）及低雜訊放大器（LNA）、雙工器（Duplexer）及射頻開關（Switch）等，RF元件種類相當眾多，其品質優劣直接影響電磁波傳遞訊息的品質，因此，RF元件可視為智慧手機關鍵且不可或缺的零組件，而因應5G發展，應用高頻段場景下，更需要的是使用能承載更高功率、低耗損的半導體材料才行。
二、半導體材料發展
提及高功率及低耗損的半導體材料，必須先了解半導體主要材料、特性及其進程概況。
半導體材料分成「元素半導體」及「化合物半導體」，元素半導體由單一元素所形成，常見的元素有矽（Si）、鍺（Ge）；化合物半導體依元素周期表分成三五族半導體、四四族半導體等。此外，又依材料及進程區分各時期半導體如下圖，第一代半導體主要材料是矽（Si）、鍺（Ge）；第二代半導體主要材料是砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）；化合物(第三代)半導體（又稱「寬能隙半導體」，Wide Band Gap，WBG），能隙>2.2eV，主要材料是碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。
寬能隙半導體中的「能隙」（Energy gap），是指半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」，簡單來說，就是「一個能量的差距」，基於功率運算式，功率為電流與電壓的積。因此，第一代及第二代半導體的Si（1.12eV）與GaAs（1.43eV）屬於低能隙材料，為因應未來廣泛的應用，發展出的化合物(第三代)半導體SiC（3.2eV）和GaN（3.4eV）相較於一、二代可以達到更大的功率、低耗損，面臨高溫、高壓、高電流時，其能量轉換較佳、穩定性更好。
圖1-1 各時期半導體材料性能比較
應用層面而言，第一代半導體特性在於其材料來源充足、成本優勢，主要應用於電腦及消費性電子的邏輯IC、記憶體 IC、微元件 IC 及類比 IC 為主；第二代半導體特性在於高電子遷移率、處理高頻訊號速度快，主要使用在手機通訊領域，如手機和基地台功率放大器（PA）、雷射（VCSEL）、光纖傳輸等；化合物半導體特性在於高頻、能隙寬度最寬、耐高電壓、高溫，主要應用在5G、物聯網、綠能、電動車、衛星通訊及軍事等領域，如光達、車用二極體、衛星通訊功率放大器（PA）、馬達控制器、快充、基地台或風力發電之控制系統等，高頻率的射頻元件及高功率的功率半導體為主要應用領域。
實際上，並非化合物（第三代）半導體取代第二代半導體的字面含意，就發展而言，各時期半導體是各自發展技術，也非完全後者是基於前者技術累積而成的。隨著國際市場的中國、美國、歐盟積極發展化合物半導體，台灣應加緊腳步跟上才行。
三、化合物半導體應用趨勢
透過上述了解各時期半導體的特性及進程後，以下針對SiC 和 GaN做進一步的了解。
SiC 適合電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備，高電壓大電流的應用，由於本身使用「同質磊晶」技術，加上垂直元件，使其功率密度高，奠定在品質良好及元件可靠度佳的基礎下，成為電動車熱愛使用此半導體材料的主要因素。
圖1-2 化合物半導體發展及應用領域
根據Yole報告指出，採用功率SiC從2019年的5.41億成長至2025年的25.62億美元如下圖，以30%的CAGR速度成長，其中市場占比最大的為電動車的電力轉換應用，市場成長性最高為電動車充電基礎設施的應用。雖然電動車預期未來需求量大，但是，由於SiC 晶圓製造難度高，對於長晶的源頭晶種要求高，在源頭材料不易取得的情況下，加上技術困難重重，目前仍然無法順利量產。
圖1-3 電動車電池成本趨勢
GaN適合民生消費領域的使用，由於本身使用「異質磊晶」技術，基於GaN 薄膜品質較差，因此相較於SiC使用上較為中低功率應用為主，包括高壓功率元件（Power）、高射頻元件（RF），Power 常做為電源轉換器、整流器，經常使用的藍牙、Wi-Fi、GPS 定位（RF 射頻元件應用）。
根據Yole預估如下圖，採用功率GaN從2020年的4,600萬成長至2026年的11億美元，以70%的CAGR（年複合成長率）快速成長，其中市場占比最大的為電動車消費端應用，市場成長性最高，則為汽車充電和移動設備的應用。雖然在低功率市場有著相當大的商機，在伺服器或資料中心、工業電源、通訊電源等高功率市場滲透率也逐漸攀升中，不過，GaN成本仍不被消費市場所接受，是供應商有待努力改善的地方。
圖1-4 電動車續航里程
簡而言之，目前GaN 、SiC有各自主要應用領域及其市場，GaN常用於電壓 900V 以下的充電器、基地台、5G 通訊相關等產品；SiC 則是使用在電壓大於 1,200 V的電動車相關應用為主。
四、化合物半導體供應鏈布局面臨的重重挑戰
由於GaN和SiC，都須要採用SiC基板來製造，目前SiC市場呈現以美國、歐洲、日本三足鼎立的局面，有鑑於歐美IDM（整合元件製造）廠壟斷化合物半導體市場，加上中國政策扶持，使得各供應鏈廠也積極布局，造成台廠切入市場困難。
SiC供應鏈中，被美國Cree/Wolfspeed、II-VI所主導，市占比約8成，美國主要企業除了龍頭地位的Cree/Wolfspeed、II-VI，還有Transphorm和Dow Corning；歐洲著名企業有Siltronic、ST（意法半導體）、IQE、Infineon（英飛凌） 等；日本企業則是松下、羅姆半導體、住友電氣、三菱化工、瑞薩、富士電機等。
GaN供應鏈中，主要IDM廠的企業有美國的II-VI、歐洲的Exagan、NXP、Infineon（英飛凌）、日本住友電氣、三菱電機等，此外有許多大廠在供應鏈中扮演著要要角色。
中國雖然在化合物半導體有提升自主供應的能力，但與國際大廠仍然略遜一籌。根據2021年頒布的政策，與化合物半導體相關的發展事項如GaN單晶新生長技術研究、大尺寸SiC單晶襯底製備產業化技術、化合物半導體高性能碳化矽單晶製備和外延工藝及成套裝備等，透過政策扶植化合物半導體技術的發展，相關企業如華潤微、三安集成、比亞迪、聞泰科技、賽威電子、斯達半導體、哈勃科技投資公司等。除此之外，地方政府也積極吸引化合物半導體材料、應用相關廠商進駐，或是聚焦在半導體研發製造上，如此積極布局，為的是降低成本，提升國家的自主供給率。
反觀台灣供應鏈廠如下圖，積極布局化合物半導體的集團分別有中美晶集團、漢民集團、廣運集團，而晶圓大廠台積電、日月光、環球晶等早已在化合物半導體深植一段時間，不論是在投入在第二代半導體多時的穩懋、宏捷科、全新，或是功率元件供應廠強茂、漢磊、世界先進，亦或是LED、太陽能領域跨足的富采、太極、穩晟等，也將跨足投入化合物半導體生產製造。
圖1-5 化合物半導體供應鏈廠商
根據報導指出，化合物半導體需經過長時間的學習過程，經常是不是廠商不願意生產，而是不知道如何製造，即便是相同的機器設備，不同的技術人員，最終成品也大不相同。此外，在訂單需求量少且須客製化產品同時，奠定在化合物半導體製造成本高昂的情形下，往往驅使IDM成為主流，其中上游基板、磊晶主要由日本及美國大廠掌握，再度加重台廠上游材料成本的負擔，最後一項困難則是，即便台灣有相關產品的開發，仍未被游客戶或是外商採用，才是最大的挑戰。
總而言之，不論是仰賴國際企業供應原物料，使得上游成本高昂、生產製造過程困難、下游客戶不滿單，甚或是避免人才出走等，若台廠能突破上述重重困難，積極布局化合物半導體供應鏈，加強上下游垂直整合能力，提升良率，到最終量產，或許有機會能在搭上這股熱潮，奠定化合物半導體市場的地位。
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