無論是SiC還是GaN都屬于特殊制程（專業(yè)技術(shù)）。臺積電目前正在加速先進(jìn)制造工藝的開發(fā)和量產(chǎn)，但臺積電今年的目標(biāo)是將其專業(yè)技術(shù)占成熟工藝的份額提高到60%，首次超過50%，這是一個(gè)新的高度。三年前，專業(yè)技術(shù)僅占臺積電成熟工藝的45%。隨著臺積電今年同時(shí)擴(kuò)大成熟節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能，預(yù)計(jì)特種技術(shù)產(chǎn)能，特別是從28nm到16nm的產(chǎn)能，也將增長12%。

 

據(jù)了解，臺積電今年的資本出將達(dá)250-280億美元，年增45-62%；其中80%將用于3nm、5nm及7nm等先進(jìn)制程，10%用于先進(jìn)封裝技術(shù)量產(chǎn)需求，10%用于特殊制程。據(jù)悉，臺積電竹科12廠與中科15廠都有對應(yīng)優(yōu)化制程設(shè)計(jì)，南科廠方面，南科晶圓14廠第八期也規(guī)劃為特殊制程應(yīng)用生產(chǎn)。

 

先前《日刊工業(yè)新聞》曾報(bào)導(dǎo)，在日本政府經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的主導(dǎo)下，臺積電與索尼可能會(huì)在日本合資設(shè)廠，該工廠瞄準(zhǔn)的也是特殊制程，將生產(chǎn)40nm至20nm的制程為主，主要用于汽車、家用電子與機(jī)械產(chǎn)業(yè)等類別。

 

臺積電研發(fā)資深處長段孝勤此前在論壇中提到，臺積電一直投入資源在功率相關(guān)的制程工藝技術(shù)上，朝降低能耗的目標(biāo)前進(jìn)，包括使用在電源管理芯片上的 BCD 工藝。

 

臺積電是第一家采用300mm晶圓生產(chǎn)Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）電源管理工藝的代工廠。2020年臺積電針對各種快速增長的移動(dòng)電源管理IC的不同集成級別的應(yīng)用擴(kuò)展了90nm、55nm和22nm的12英寸雙極Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技術(shù)組合。其中，90nm BCD技術(shù)覆蓋了從5V到35V的廣泛應(yīng)用，并將在2021年繼續(xù)擴(kuò)展。臺積電專門優(yōu)化了5V電源開關(guān)，它是用來處理由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的不斷增長的電力需求。此外，其0.18微米第三代BCD制程技術(shù)于2020年完成AEC-Q100驗(yàn)證。

 

 

臺積電看到未來十年復(fù)合半導(dǎo)體的增長機(jī)會(huì)，尤其是在五個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用：快充、數(shù)據(jù)中心、太陽能電力轉(zhuǎn)換器、48V DC/DC以及電動(dòng)車OBC/轉(zhuǎn)換器。 看好GaN充電特性更快、更輕薄以及更有效率，效率大于過往三倍，同時(shí)在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)上也是如此。

 

早在2014年，臺積電就開始在其6英寸晶圓廠制造GaN組件，并于2015年開始生產(chǎn)用于低壓和高壓應(yīng)用的GaN組件。憑借其在硅基半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，臺積電于2017年開始量產(chǎn)GaN-on-Si組件。

 

在此需要科普一下，氮化鎵半導(dǎo)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(lán)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，由于價(jià)格的因素，硅基氮化鎵成為了目前半導(dǎo)體市場主流，而也有人士認(rèn)為GaN-on-SiC在未來大有可為。我們看到，臺積電也是采用的GaN-on-Si（硅基氮化鎵）技術(shù)。英特爾最近在IEDM 2021上發(fā)布關(guān)于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(yàn)證了300毫米工藝兼容可行性，更適配高電壓應(yīng)用，增加了功能，提升了大規(guī)模制造可能性。不知道此舉是否也意味著，英特爾將代工GaN。

 

2020年臺積電開始量產(chǎn)第一代650V和100V增強(qiáng)GaN高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，該晶體管在2020年迅速達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%，預(yù)計(jì)2021年投入生產(chǎn)。此外，其100伏空乏型高電子移動(dòng)率晶體管（D-HEMT）已完成元件開發(fā)，具備優(yōu)異的性能，且通過多家5G基地臺模塊設(shè)計(jì)公司的工程驗(yàn)證，預(yù)計(jì)于2011年進(jìn)入試產(chǎn)。

 

臺積電研發(fā)資深處長段孝勤在今年9月的SEMICON 臺灣在線論壇提到，GaN on Si的挑戰(zhàn)主要是表面的不平整程度考驗(yàn)，臺積電開發(fā)了GaN-on-Silicon技術(shù)來滿足功率和RF組件要求，而外延代工也開發(fā)了6英寸GaN-on-Silicon晶圓制造技術(shù)等。

 

臺積電在GaN代工領(lǐng)域的客戶主要是意法半導(dǎo)體和納微半導(dǎo)體。2020年，臺積電和意法半導(dǎo)體也開始在GaN產(chǎn)品上進(jìn)行合作，將為ST提供分立產(chǎn)品供應(yīng)GaN IC，已促成累計(jì)超過1 ,300萬顆氮化鎵芯片出貨。除此之外，納微半導(dǎo)體專有的 GaN 工藝設(shè)計(jì)套件 (PDK) 也是基于臺積電的 GaN-on-Si 平臺開發(fā)的。此前納微半導(dǎo)體首席運(yùn)營官/首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Dan Kinzer說。“臺積電的交付和質(zhì)量結(jié)果不言而喻，每月出貨量超過 100 萬個(gè) GaNFast 電源 IC，總出貨量超過 1300 萬個(gè)，現(xiàn)場故障為零。”

 

據(jù)科技產(chǎn)業(yè)咨詢室的報(bào)道，目前，臺積電擁有三到四個(gè)能夠生產(chǎn)6英寸Epi GaN晶片的MOCVD單元，生產(chǎn)能力為1.5-2Kwpm。而且今年初，業(yè)界也傳出了臺積電開始采購氮化鎵機(jī)臺設(shè)備，數(shù)量達(dá)十多臺，預(yù)估增加產(chǎn)能上萬片，業(yè)界推測是有重要客戶顯著增加下單量。

 

 

碳化硅代工業(yè)務(wù)比硅代工業(yè)務(wù)更困難。目前也很少有專門的SiC代工廠。但是隨著SiC的需求越來越大，根據(jù)Yole的預(yù)測，到2026年整個(gè)碳化硅功率器件的市場規(guī)模有望達(dá)到50億美元，市場空間巨大，其中60%以上用于新能源汽車領(lǐng)域。因此不少代工企業(yè)開始加碼布局SiC代工。

 

德國的X-Fab將其位于美國的晶圓廠的 SiC 代工產(chǎn)能翻了一番，X-FAB 被認(rèn)為是第一家在 6 英寸晶圓上提供 SiC 技術(shù)的代工廠。英國的Clas-SiC、臺灣的Episil（臺灣）、大陸的三安和韓國YPT最近進(jìn)入了SiC代工業(yè)務(wù)。此外一些 IDM 和硅代工廠也在探索這個(gè)市場。

 

臺積電也開始了SiC的相關(guān)研究，此前據(jù)鉅亨網(wǎng)的報(bào)道，臺積電董事長劉德音透露，臺積電已經(jīng)做了很多與SiC相關(guān)的高壓產(chǎn)品，正在與國研院合作，而且臺廠的SiC產(chǎn)能最大。SiC也屬于Spectialy（特殊工藝）技術(shù)，據(jù)臺積電稱，其目前成熟工藝節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能將升級為特殊工藝，以支持化合物半導(dǎo)體在臺積電生產(chǎn)計(jì)劃中不斷增長的份額。

 

關(guān)于臺積電、Sony的新晶圓廠，三菱電機(jī)社長衫山武史在接受FujiSankei Business采訪時(shí)表示，新建的晶圓廠和三菱電機(jī)的工廠、研發(fā)據(jù)點(diǎn)距離很近，在SiC功率半導(dǎo)體代工上進(jìn)行合作是十分有可能的。

 

現(xiàn)在，SiC代工業(yè)務(wù)體量還是很小，SiC代工業(yè)務(wù)才剛剛起步。但碳化硅代工廠希望復(fù)制成功的硅代工廠模式。雖然在SiC領(lǐng)域，IDM將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但Fabless和代工廠也有空間。

 

 

無論是SiC還是GaN，對于國內(nèi)一眾Fabless企業(yè)來說，代工都是必需品。這也將成為我國第三代半導(dǎo)體發(fā)展的產(chǎn)能和良率的保證。如臺積電這樣的大的代工廠的重視，將是第三代半導(dǎo)體蓬勃起飛的關(guān)鍵性因素。