台積電的第三代半導體佈局_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：杜芹，謝謝。

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。雖然台積電方面認為，第三代半導體是個小市場。但這不影響台積電對碳化硅 (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，我們來看一下台積電在這些方面的佈局。

為特殊進程加大馬力

無論是SiC還是GaN都屬於特殊製程（專業技術）。台積電目前正在加速先進製造工藝的開發和量產，但台積電今年的目標是將其專業技術佔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，專業技術僅佔台積電成熟工藝的45%。隨着台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%。

據瞭解，台積電今年的資本出將達250-280億美元，年增45-62%；其中80%將用於3nm、5nm及7nm等先進製程，10%用於先進封裝技術量產需求，10%用於特殊製程。據悉，台積電竹科12廠與中科15廠都有對應優化製程設計，南科廠方面，南科晶圓14廠第八期也規劃為特殊製程應用生產。

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，台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製程，將生產40nm至20nm的製程為主，主要用於汽車、家用電子與機械產業等類別。

台積電研發資深處長段孝勤此前在論壇中提到，台積電一直投入資源在功率相關的製程工藝技術上，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。

台積電是第一家採用300mm晶圓生產Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）電源管理工藝的代工廠。2020年台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，並將在2021年繼續擴展。台積電專門優化了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製程技術於2020年完成AEC-Q100驗證。

重點發力GaN

台積電看到未來十年複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，效率大於過往三倍，同時在數據中心設計上也是如此。

早在2014年，台積電就開始在其6英寸晶圓廠製造GaN組件，並於2015年開始生產用於低壓和高壓應用的GaN組件。憑藉其在硅基半導體制造領域的領先地位，台積電於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，由於價格的因素，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，台積電也是採用的GaN-on-Si（硅基氮化鎵）技術。英特爾最近在IEDM 2021上發佈關於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，提升了大規模製造可能性。不知道此舉是否也意味着，英特爾將代工GaN。

2020年台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基地台模塊設計公司的工程驗證，預計於2011年進入試產。

台積電研發資深處長段孝勤在今年9月的SEMICON 台灣在線論壇提到，GaN on Si的挑戰主要是表面的不平整程度考驗，台積電開發了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晶圓製造技術等。

台積電在GaN代工領域的客户主要是意法半導體和納微半導體。2020年，台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) 也是基於台積電的 GaN-on-Si 平台開發的。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説。“台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。”

據科技產業諮詢室的報道，目前，台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，業界也傳出了台積電開始採購氮化鎵機台設備，數量達十多台，預估增加產能上萬片，業界推測是有重要客户顯著增加下單量。

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。但是隨着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%以上用於新能源汽車領域。因此不少代工企業開始加碼佈局SiC代工。

德國的X-Fab將其位於美國的晶圓廠的 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、台灣的Episil（台灣）、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。

台積電也開始了SiC的相關研究，此前據鉅亨網的報道，台積電董事長劉德音透露，台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，而且台廠的SiC產能最大。SiC也屬於Spectialy（特殊工藝）技術，據台積電稱，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台積電生產計劃中不斷增長的份額。

關於台積電、Sony的新晶圓廠，三菱電機社長衫山武史在接受FujiSankei Business採訪時表示，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複製成功的硅代工廠模式。雖然在SiC領域，IDM將繼續佔據主導地位，但Fabless和代工廠也有空間。

結語

無論是SiC還是GaN，對於國內一眾Fabless企業來説，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。如台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。