【產業評析】第三代半導體產業簡介、概念股、市場現況與展望
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王則翰
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【產業評析】第三代半導體產業簡介、概念股、市場現況與展望

2021 年 12 月 13 日

 
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第三代半導體在近年逐漸成為市場焦點,放眼當今科技產業,諸如 5G 、綠能、電動車等重點市場,都需要用上這個「第三代半導體」。而「第三代半導體」究竟是什麼?為何各家廠商都搶著分食這塊餅?產業未來的發展方向又在哪裡?跟著本文一一揭曉!

第三代半導體是什麼?— 氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)

什麼是「半導體」?

「半導體」這個詞彙,想必大家在日常生活中常常聽聞,不過若沒有相關工科背景,這個詞對你來說可能會很陌生,不過不用緊張,其實半導體沒有你想像的那麼難理解!

所謂半導體(semiconductor),就字面上直觀來看,是「一半」的「導體」 — 它有些時候可以當導體,有些時候卻又成了絕緣體。而就學理定義來說,半導體是「一種電導率在絕緣體與導體之間的物質,可作為資訊處理的元件材料」。透過在這類物質中另外加入其他雜質(例如:磷、硼等等),就可以利用化學元素間電子數量的不同,更精準地控制半導體的導電性,進而製作成超重要的半導體電子元件 — 電晶體(Transiter)。

半導體的運作原理

現在我們已經知道了半導體是什麼了,你是否也有個疑問:「導電率變化是怎麼用來處理資訊的呢?」其實半導體這種「時而導電、時而不導電」的設計,可以簡單想像成生活中的「開關」:你總不希望房間的冷氣永遠都開著,或者床頭燈一直關不掉,對吧?正如我們有時候會需要這些工具運作,有時候則把它們關上,半導體在各種應用產品內的功能,就是一個「開關」— 當導電時電子流通,開關就被打開,可以開始做某些指令;當不導電時,開關就關起來,可以作為工作流程的停止訊號。

事實上,關於半導體的運作原理其實遠比上述更複雜(例如:N型、P型、Gate 閘極等);至於功用除了作為開關之外,也有功率放大層面的用途。有興趣的朋友可以再自行上網做更深入的研究。但若只是想要大致理解半導體產業的投資朋友,筆者認為對於運作原理至此的認識也已算足夠。

第三代半導體是什麼?

了解了半導體與其運作原理後,接下來我們趕緊來認識一下今天的主軸 —— 第三代半導體。第三代半導體,不同於第一代半導體材料(矽 Si、鍺 Ge)與第二代半導體材料(砷化鎵 GsAs、磷化銦 InP),第三代半導體的主要材料則為碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩種,由於產品特性的不同,各代半導體也分別有不同領域的應用。

第一、第二、第三代半導體比較
第一代半導體 第二代半導體 第三代半導體
主要材料 矽 Si、鍺 Ge 砷化鎵 GsAs、磷化銦 InP 碳化矽 SiC、氮化鎵 GaN
特性 製作容易、成本低 低耗損、抗輻射、高導熱 高功率、耐高溫高壓
主要應用 低電壓太陽能電池 3D 感測、光通訊、射頻 電動車、再生能源、通訊

表一:第一、第二、第三代半導體比較。資料來源:工商時報,股感知識庫整理

讓我們更近一步來細分兩種第三代半導體的主要原料:

1. 碳化矽(SiC)
碳化矽(SiC) 是由矽(Si)與碳(C)組成,結合力強,性質較安定,具有低耗損、高功率的產品特性。SiC 適合作用於高壓、大電流的環境,例如電動車、電動車充電樁、再生能源發電設備等。

2. 氮化鎵(GaN)
氮化鎵(GaN)是一種橫向元件,結構性沒有 SiC 穩定,適合運用的電壓環境也不如 SiC 來的高壓。不過其具有高頻運作的特性,目前大多應用在快速充電、電源管理器等民生消費需求。未來主要應用也將朝高頻通訊、 5G 通訊領域發展。

SiC 碳化矽 與 GaN 氮化鎵 整理與比較
項目 SiC 碳化矽 GaN 氮化鎵
磊晶製成技術 同質磊晶 異質磊晶
電壓功率 1200 V 以上 900 V 以下
能隙(註 1 ) 3.2 eV 3.4 eV
特性 耐高溫、低耗損、高功率 耐高溫、高頻運作
主要應用領域 電動車、綠能發電設備 充電器、通訊產品、基地台

表二:SiC 碳化矽 與 GaN 氮化鎵 整理與比較。資料來源:科技新報,股感知識庫整理

註 1 :能隙(energy gap),即「一個能量階層的間隙」,其定義是讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。因此能隙的大小是決定半導體導電性的一大因素。)

第三代半導體的應用

當今第三代半導體應用主要有 2 大類 — 「電源供應器」與「電動車」,其他值得注意的終端應用還有近期快速興起的「高頻通訊」。下圖為氮化鎵、碳化矽在 2020 年的市場應用情形。

2020年碳化矽、氮化鎵市場終端應用佔比

圖一: 2020 年碳化鎵、氮化矽市場終端應用佔比。資料來源:工商時報,股感知識庫整理

以下一一介紹第三代半導體的應用:

應用 1 :低電壓消費性電子產品的電源供應器
第三代半導體目前最熱門的應用是利用 Gan氮化鎵 製造的電源轉換器(簡稱Power GaN),市場上也有人白話地稱之為「氮化鎵充電器」。在第三代半導體技術發展之前,要製造類似的產品,重要原料之一的碳化矽基板是個頭痛的問題 — 一片 6 寸寬的圓形碳化矽基板,就要台幣 8 萬塊,這使得很多廠商認為這項產品無利可圖,因此沒有很多人願意做這門生意。
後來隨著新技術 — 將氮化鎵堆疊在矽基板上(GaN on Si)— 問世,有效的降低了原本製作化合物半導體的成本,並且透過技術改良,以前個頭很大的電腦、手機充電器,現在都可以越做越小、越做越輕便。在引進 GaN on Si 的技術後,不僅使得廠商得以有效壓低成本,終端需求量也提升了許多(試想看看:以前一個碗公大小的充電器,現在可能指向一片餅乾這麼大,消費者當然更願意去擁有這樣的新型充電器,對吧!),也不難想像為何低電壓消費性電子產品的電源供應器,可以成為第三代半導體的一大熱門應用。

應用 2 :電動車
綜觀所有第三代半導體的終端應用,目前市佔最大、發展最成熟的就是電動車領域。其中最主要的應用在於利用 SiC碳化矽 製造供電晶片。如同前文表格中所提到,SiC 的一大優勢在於它可以在極高壓的環境下持續運作,因此要在高壓、大電流的作業環境下使用電力推動的電動車、電動船等, SiC 技術就成為較有商業價值的運用。

應用 3:高頻通訊
第三代半導體在近年最新發展出來終端應用產品,則屬以 GaN氮化鎵 為原料,製作而成的高頻通訊的材料(又稱 RF GaN) 。說到第三代半導體在通訊領域的應用,最著名的就是高通(Qualcomm, QCOM-US)於 2013 年所提出的「RF 360 」新技術 — 當時市場稱之為「劃時代的發明」,並指出這可能是世界上其他製造商的「End Game」。不過後來的故事可能有些投資朋友也不陌生了 —— 高通生產的矽晶片散熱效果非常不理想,整個晶片在運作時的高溫讓其根本沒辦法應用於手機,最後整個計畫宣告失敗,高通也回頭向原來的供應商進貨。
在經歷過 2013 年市場的高潮迭起後,許多台廠(像是穩懋( 3105-TW )、宏捷科( 8086-TW )等)才又重新的站穩腳步上。後來隨著通訊需求確實如預期地朝趨趨高頻通訊發展,且由於相比於電動車、電源供應器等成熟應用,高頻通訊晶片目前尚處於低基期,未來有潛力躋身第三代半導體的前三大應用。

第三代半導體概念股

而投資朋友們關心的第三代半導體概念股,甚至碳化矽基板概念股,又有哪些呢?筆者綜合市場資訊,為各位整理出台灣股市中血統較純的幾檔「第三代半導體概念股」如下:

台灣第三代半導體概念股
概念 股票(股票代號)
晶圓代工
台積電 ( 2330-TW )
世界 ( 5347-TW )
穩懋 ( 3105-TW )
宏捷科 ( 8086-TW )
茂矽 ( 2342-TW )
漢磊 ( 3707-TW )
晶成半導體(環宇 – KY 子公司)
SiC 碳化矽基板
環球晶 ( 6488 -TW )
盛新材料 ( 太極 4934-TW 子公司)
磊晶
環球晶 ( 6488-TW )
嘉晶 ( 3016 -TW )
全新 ( 2455 -TW )
IET-KY (4971-TW)

表三:台灣第三代半導體概念股。資料來源:商周財富網,股感知識庫整理

第三代半導體產業現況與展望

市場現況 — SiC 與 GaN 各自為家,且產品特性符合當今趨勢

如果你有仔細看上文中的表格,相信你已經對於第三代半導體的主要應用領域有一定程度的理解 — SiC 主要用在電動車、太陽能、風力發電;GaN 主要應用在 5G 、高頻通訊、消費性電子產品。對於市場脈絡有一定了解的投資朋友看到這裡應該會有很深的體會,大概就是「哇,這第三代半導體還真有點東西,未來數年或數十年內最紅的幾個概念無非就是電動車、 5G 這幾個,基本上整個市場都被他通吃了」的感覺吧!

其實,第三代半導體早在 30 年前就已經陸續發展起來了,而它會在幾年之間一晃眼就突然爆紅的原因,就是因為搭上了科技發展趨勢的順風車,又更巧的是剛好兩大原料 — SiC 與 GaN 又分別進攻電動車/綠能、高頻通訊等兩大未來焦點產業,這也使得最近很多 10 幾、 20 年前曾經想要做過第三代半導體的企業又重新回到這場遊戲中。

如果你看到這邊還是對於第三代半導體的未來成長性有些疑慮的話,不妨參考一下以下數據: 2018 年 GaN 在電源供應器領域的市場規模大約是 900 萬美元,而 2024 年市場預估總產值將來到 3.5 億美元 — 6 年成長 40 倍。而且這只是單一終端應用,都還沒有考慮電動車、高頻通訊等兩大未來發展主軸。

未來展望 — 長期穩健發展已成市場共識,競爭只會越來越激烈

隨著 5G 、電動車等技術的越趨成熟,產品特型恰好正中紅心的第三代半導體也瞬間成為了兵家必爭之地 — 現在擁有最多第三代半導體專利權的企業 — 美國科銳 (Cree)、日本羅姆 (Rohm)、日本住友電工、日本三菱電機及美國 Denso — 全部被美、日兩國企業包辦;在 2020 年,中國在「十四五計畫」中規劃 5 年內要投入 10 兆元人民幣致力發展第三代半導體;台灣當然也發揮半導體產業鍊完整的優勢,盡力在這塊領域中佔有一席之地。

基本上,第三代半導體長期正向發展的態勢早已經成為市場的共識,不過也因為未來可見的成長性,使得這塊「大餅」引來了很多很多的「掠食者」。筆者認為既然下游需求已大致底定沒有問題,那最重要的 Know How 就只剩下如何 Cost Down 以提高企業毛利率了。如前文所述,一片不過 6 寸大的 SiC 基板,要價就要好幾萬台幣,但偏偏現有市場又有超過 80% 的 SiC 基板是由美、日兩國企業寡佔,加上中國直接海投 10 兆人民幣將第三代半導體定調成重點發展產業,未來他們在基板的發展自主化也只是時間問題。台廠的相關概念股,不論是上游材料、設計;中游的製造、代工或下游的封裝、測試,要如何在競爭激烈的市場中找到自己的定位並保持優勢才是關鍵。

結論

記得股市中流傳著這麼一句話:「人多的地方不要去。」不過筆者認為這句話其實稍嫌偏頗了些。我認為之所以有人會說人多的地方不要去,只是因為它們害怕比不上別人,只能成為時代的眼淚。其實放眼現在的第三代半導體產業,其實就有點這個感覺吧。在近幾年內廠商數量的爆增,讓這個產業完完全全地成為了一個「人超多的地方」,但是如果有把握能做到最好,努力成為這個競爭激烈的產業之中的一方霸主,那我想這些廠商也沒有「不去」的理由了吧?

希望透過這篇文章,讀者們對於第三代半導體、乃至於整體半導體產業已有了多一層的認識,預祝投資朋友投資順利的同時,也期許各位在投資的旅程上不忘持續學習、充實自己的知識寶庫!

資料來源:

  1. 寫點科普 — ​晶圓代工爭霸戰:半導體知識(前傳)
  2. 數位時代 — 白話解析第三代半導體!一張表看懂通吃 3 大市場的殺手級應用商機
  3. 商周財富網 — 下一個護國神山?台積電、鴻海都看好的第三代半導體, 14 檔概念股出列
 
週餘
 
 
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