2024-06-28
化合物半導體（Compound Semiconductor），或俗稱「第三代半導體」、「第三類半導體」，在特斯拉Model 3的應用下，一度成為全球科技業的熱門話題。近來除了電動車產業，化合物半導體又迎新商機，那就是AI伺服器。
在AI時代，採用化合物半導體提高用電效率可說是當務之急，然而在材料、製程、商業應用上，化合物半導體產業有哪些困難與挑戰？以下是台達電旗下乾坤科技技術長、前工研院電光所所長，也是化合物半導體教父級人物詹益仁的最新見解：
化合物半導體主要講的是氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）這些新材料功率元件。它可以讓充電更快、更輕薄短小。這個題材過去跟著電動車起飛，但最近電動車壞消息不斷，進入盤整期，化合物半導體卻在另一個熱門領域迎來新機會，也就是現在最夯的AI伺服器。
台達電董事長在去年股東會提到，他們最新的3200瓦鈦合金等級伺服器電源，用氮化鎵元件可以讓能量密度大幅提升25%，電源效率從94%提升到96%，省下2%的電。
高耗電是當前生成式AI最頭痛的問題， AMD執行長蘇姿丰曾說，幾年後，一台超級電腦要靠一座核電廠來發電；還有研究估計，2027年AI的全球耗電，等於荷蘭一個國家的用電量。
AI時代來臨，不論GPU或CPU，所耗的DC（直流）能量愈來愈高。從過去的2、300瓦到現在的700瓦，可能未來到1000瓦甚至1500瓦，那麼高的能量供應，必須靠功率元件來提供。
因為GPU或CPU的晶片，所需要的電壓都很低，大約0.7伏特，所以電源供應要從外部例如12伏或48伏，不斷地轉換成12伏、5伏，或者到0.7伏，這些轉換都需要靠半導體來促成。
關於元件驅動電流的能力，氮化鎵相較於矽基半導體，有它的優越性。
首先，矽基半導體像是兩線道的高速公路，車多時車速會減低，流量就開始飽和；但是氮化鎵就像10線道的高速公路，再多車子上來，還是可維持100公里的速度。所以在電流驅動方面，能供應GPU、CPU的能力非常強，電阻值比較低，轉換效率高。
第二個優點是轉換過程中，電晶體的on跟off。在氮化鎵裡，只要一個控制閥關起來，整個車流就停止了，它的切換速度快很多，所使用的被動元件可以小很多。但是在矽基半導體裡，不只有一個主要控制閥，旁邊還有好幾個，要一起關才能關起來，操作比較複雜。
然而這30年來，矽基半導體的變化太大了，反觀化合物半導體的研發沒太大改變。因為它一開始就被定位成利基型的應用，尤其在國防跟太空，如果要大量應用在商業上有其困難。
化合物半導體本身晶體裡不像矽那麼均勻，它有不容易掌控的微小差異，材料本身就很難控制，製程更難以控制。
因為它由兩個或三個元素組成，受溫度的影響、蒸發的速度也不一樣，更重要一點，它不像矽有那麼穩定的氧化層，這都限制它在商業應用的可行性，所以很長一段時間都被視為未來的材料。直到3G時期，功率放大器（PA）開始進來，化合物半導體才有點起色，不然中間有十幾年時間非常消沉。
化合物半導體界的台積，會出現嗎？
這完全要看經濟規模。矽基半導體有經濟規模，所以在台灣，它是「垂直分工」的型態；但化合物半導體一開始就是一個小眾利基的市場，在這個市場裡，如果套用一樣的商業模式，做垂直分工的話，會是一場災難。因此「垂直整合」是必要的，這就是化合物半導體跟矽基半導體最不一樣的地方。
像特斯拉把過去在實驗室研發多年的碳化矽，用在Model 3，這裡面有很多是商業決策的問題。規模決定了重要的方向，但無法所有事情都用垂直分工的方式來看待這個產業鏈。
矽基直接面對的是大眾市場，過程中還有很多創意發明，比如iPhone、現在的AI等等，從28、15、10到5奈米，都有不同的應用，技術是被需求給驅動的。
而化合物半導體是一個小眾利基市場，它沒有像摩爾定律那樣，來自全世界的力量共同解決一個問題。加上先天材料本身非常難搞，特斯拉之所以會用，因為它是一家新創公司。
碳化矽目前仍偏貴，如果以整個系統的效能來看，雖用比較貴的材料，但是在散熱各方面可以節省很多工夫的話，整體而言還是滿划算。
因此特斯拉開始採用，它的意義就像一個突破口，在商業社會大家都不願意當第一隻白老鼠，部份原因是心理障礙，但碳化矽是一個可以被信賴的半導體材料，當有第一隻白老鼠用了之後，發現車子沒出事，大家就會跟著用了。
特斯拉率先用碳化矽，接下來就是比亞迪。大家都知道比亞迪自己做、自己用，這時候很多人在討論，如果碳化矽這個產業跟著電動車走，像比亞迪自己有車，碳化矽也自己做，那台灣做碳化矽的公司，還有什麼前途呢？
其實第三代半導體這個名詞是中國喊出來的，他們非常火熱，整個生態系也愈來愈複雜，現在全球很多大廠開始跟他們簽長期合約。
中國廠用策略性低價競爭，目前我們還沒有想清楚台灣的策略，但不能抱持過去做矽基的角度來思考這件事情。
台灣要有更多垂直整合，比如封裝牽涉到材料製程，以及很多的技術，這部份我們如果能好好整合，還是有一些機會存在。
資料來源： 天下雜誌Web only 2024-04-08
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