中國渴望生產第三代芯片解除卡脖子

一、第三代半導體與前兩代的差異

    現代的電子產品幾乎都需用到芯片，而隨著綠能及電動車時代的到來，能耐高壓、高溫、高頻並滿足當前主流應用對高能源轉換效率的寬能隙半導體成為新寵。半導體中的「能隙」（Energy gap）代表「能階能量的差距」，意即讓一個半導體從絕緣到導電所需的最低能量。第一、二代半導體的矽與砷化鎵屬於低能隙材料，數值分別為 1.12 eV 和 1.43 eV，第三代（寬能隙）半導體的能隙，SiC 和 GaN 分別達到 3.2eV、3.4eV，因此當遇到高溫、高壓、高電流時，跟一、二代比起來，第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換也更好。第一代半導體的主流材料是矽（Si），事實上，1950年代電晶體採用的半導體材料多是鍺（Ge），但由於鍺容易引發熱失控，隨後被矽取代，進而造就了微電子產業的全面發展。自從 1970 年貝爾實驗室發明了室溫半導體雷射之後，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主的第二代半導體一躍成為市場主角。比起已達物理極限的矽基半導體元件而言，砷化鎵與磷化銦擁有超高的電子遷移率，並具備高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性，並為今後的微波射頻通訊半導體發展奠立厚實的基礎。為了因應 5G 高頻應用，並滿足綠能與 EV 電動車等高壓、大電流及高能源轉換效率的需求，第三代氮化鎵（GaN）與碳化矽（SiC）等寬能隙半導體開始嶄露頭角。由於半導體材料的能隙愈寬，其耐高頻、高壓、高溫、高功率及高電流的能耐也愈強，並極具高能源轉換效率與低能耗的特性。寬能隙半導體，已然成為各國下一階段的重點發展目標，全球第三代半導體大戰已然全面展開。儘管第三代半導體效能好，但其技術門檻高而並非所有電子元件及技術應用都需要如此高的效能，所以第三代半導體並不會完全取代前兩個世代，三個世代會在不同領域各自扮演重要的角色。基本上，第一代會以應用在電腦及消費性電子上的邏輯 IC、記憶體 IC、微元件 IC 及類比 IC 為主，第二代會著墨在手機通訊領域之射頻晶片上，第三代的最大驅動力來自於5G、綠能、電動車、衛星通訊及軍事等領域，並以高頻率的射頻元件及高功率的功率半導體元件為應用大宗。其中，5G 和電動車被視為是加速第三代半導體發展的最大促因與動力。

   5G不論是6GHz以下頻段或24GHz 以上頻段的基礎設施佈建都需要大量的天線、射頻元件及基地台，這正是 GaN 發揮自身高頻、高功率、大頻寬、低功耗與小尺寸等優勢的最佳用武之地。根據市調公司 Yole Developement報告指出，全球 GaN 射頻元件市場將從 2020 年的 8.91 億美元成長至 2026 年的 24 億美元。整個射頻GaN半導體產業的發展皆始於碳化矽基氮化鎵（GaN-on-SiC）技術，歷經 20 多年的發展，它已成為矽基橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）及 GaAs 的主要競爭對手。GaN 快充與車用 SiC 元件是第三代半導體的兩大催化劑。另一個帶動第三代半導體發展的應用，莫過於功率半導體元件。在 5G 電信、消費性電子及新能源車的推波助瀾下，市場對於電信基地台、轉換器及充電站的需求大增，進而帶動 GaN 功率元件與 SiC 功率元件的成長。根據市場研究機構TrendForce集邦科技的調查，2021 年 GaN 功率元件營收達 8,300 萬美元，到了 2025 年營收突破 8.5 億美元。消費性電子、新能源車及電信是GaN 功率元件的三大應用領域。

二、中國芯片突破美國封鎖是中美關鍵之戰

    中美鬥爭看勢頭是非鬥到至死方休，而芯片突破封鎖是關鍵之戰。由於中國晶片產業遭到美國科技封鎖，2021年，國家主席習近平任命國務院副總理劉鶴主導第三代半導體的規劃，以期透過新半導體領域來繞過美國的科技封鎖。美國前總統特朗普任內制裁華為，並且擋住海思半導體取得晶片製造產能，上海諮詢商 ICWise 首席分析師顧文俊說：「中國是全球最大芯片消費國，因此芯片供應鏈安全是重中之重。」。隨著中國在傳統矽晶片製造面臨從技術開發到大量資本投資的一系列挑戰，以氮化鎵和碳化矽等化合物為基材（substrate）的第三代半導體成了中國寄以厚望的救命丹。第三代半導體的產品性能優於傳統矽晶片，製造所需的材料和設備也不同於傳統矽晶片，再加上目前尚未有哪一個國家在這個領域搶得主導地位。因此，第三代半導體成為中國半導體產業繞過美國技術的最佳選擇之一。《彭博社》報導習近平挑選了劉鶴來主導中國的第三代半導體發展，投入資金高達1兆美元。目前中國大型晶片製造商和研究機構紛向中國科技部和信息化部提交計畫爭奪國家融資。已遭美國制裁的中國電子科技集團和中國鐵建的幾家子公司已獲得政府重點支持，中國政府也準備再投入大量資源發展第三代半導體產業。然而到目前為止，中國在晶片領域的投資並沒有出現顯著的成果。中芯國際目前是中國晶片製造的領頭羊，但在技術能力上仍落後台積電與三星，中國企圖以計劃經濟的方式創造出市場仍舊無法刺激自家半導體產業擠身世界一流。

   隨著 5G、電動車時代來臨，科技產品對於高頻、高速運算、高速充電的需求上升，矽與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限，一旦操作溫度超過 100 度時，前兩代產品更容易故障，因此無法應用在更嚴苛的環境；再加上全球開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導體成為時代下的新寵兒。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。SiC 是由矽（Si）與碳（C）組成，結合力強，在熱量上、化學上、機械上皆安定，由於低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應用場景，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備。另外，SiC 本身是「同質磊晶」技術，所以品質好、元件可靠度佳，這也是電動車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。仍無法順利量產，後面會多加詳述。GaN 為橫向元件，生長在不同基板上為「異質磊晶」技術，生產出來的 GaN 薄膜品質較差，目前只應用在快充等民生消費領域。第三代半導體生產成本高昂，量產仍有難度。中國「十四五規劃」將砸 10 兆人民幣、在 5 年內全力發展第三代半導體，打算來個「技術大超車」。

三、中國渴望第三代芯片翻身

   亞洲時報報導，預計未來幾年中國將享受全球對第三代半導體的強勁需求，市場情報提供商TrendForce表示，全球SiC功率器件市場價值將從2022年的16.1億美元攀升至2026年的53.3億美元。GaN 功率器件的銷售額將從 2022 年的 1.8 億美元每年增長 65%，到 2026 年達到 13.3 億美元。分析人士表示，由於該行業不在美國製裁範圍內，中國可以培養自己的代工廠，並可能有一天能夠自行供應第三代芯片。集邦諮詢分析師Rany Kong表示：“SiC市場的發展受到新能源產業的強勁推動，尤其是新能源汽車的旺盛需求。”龔表示，他預計汽車用碳化矽功率器件的銷售額將從2022年的10.9億美元年均增長38%，到2026年達到39.8億美元。GaN芯片在汽車市場的前景也在不斷增長，但還需要業者做出更多努力。中國先進半導體產業創新聯盟（CASA）指導委員會主任曹建林表示：“第三代半導體可廣泛應用於新能源、交通和光電領域，幫助中國實現排放達峰和碳中和目標。”曹表示，去年全球半導體市場進入下行週期，但由於汽車、太陽能、儲能等行業的強勁需求，第三代芯片市場持續增長，進入高增長期。他表示，中國有一天將能夠自行供應所需的設備。中國工程院院士、國家新材料產業發展戰略諮詢委員會主任乾勇表示，第三代芯片的普及將對全球半導體產業的發展產生至關重要的影響。下一個十年。他補充說，芯片行業的全球化是不可阻擋的。

   去年10月，美國商務部工業與安全局（BIS）對中國芯片行業實施了新的限制。根據BIS的限制，生產16納米或以下芯片的中國大陸晶圓廠必須申請許可證才能從美國採購產品。今年1月，日本和荷蘭同意與美國一起限制中國獲得先進的半導體機械。4月，日本表示， 23種芯片技術的供應商最早將於7月向包括中國在內的國家出口需要政府批准。分析師表示，美國的限制不會阻止中國製造第三代芯片，因為生產涉及材料科學，不需要高端光刻技術。深圳前瞻產業研究院在一份研究報告中表示，與美國的貿易戰實際上讓中國更加專注於生產第三代芯片。報告稱，中國 SiC 和 GaN 功率器件的銷售額從 2017 年的 17.9 億元人民幣增長 300%，至 2021 年的 71.1 億元人民幣（9.9 億美元）。報告稱，截至2027年的五年內，中國SiC和GaN功率器件的銷售額將年均增長45%，達到660億元人民幣，同期GaN微波射頻器件的銷售額將年均增長22%，達到240億元人民幣。中國科協主辦的《中國科學技術信息》雜誌發表文章稱，第三代芯片領域是中國未來可以超越西方的領域。在前兩代半導體發展上，中國起步晚很難彎道超車，但在第三代芯片領域，中外企業幾乎同時起步。製造第三代芯片的成本大約是製造矽芯片的兩到三倍。第三代芯片通常在 90 至 350 納米之間，這些尺寸不在美國製裁範圍內。其中，GaN微波射頻芯片可用於導彈、雷達和旨在欺騙雷達的電子對抗。SiC芯片可用於噴氣式飛機、坦克和海軍艦艇發動機以及風洞。中國缺乏長期穩定的科研投入、科研成果評價平台和鼓勵民間資本投資科研的機制。中國要在第三代芯片領域短期內趕上西方並不容易，因為外國公司仍擁有核心技術。瑞士意法半導體表示，已與中國三安光電簽署協議，將在重慶新建一家200毫米碳化矽器件製造合資企業。