台积电的第三代半导体布局

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：杜芹DQ，头图来自：视觉中国

第三代半导体逐渐迎来爆发期，这就给相关代工带来了需求。虽然台积电方面认为，第三代半导体是个小市场。但这不影响台积电对碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等化合物半导体市场潜力的兴趣。尤其看好GaN，称其逐渐被市场接受，预期未来十年将有延展更多应用。下面，我们来看一下台积电在这些方面的布局。

一、为特殊进程加大马力

无论是SiC（碳化硅）还是GaN（氮化镓）都属于特殊制程（专业技术）。台积电目前正在加速先进制造工艺的开发和量产，但台积电今年的目标是将其专业技术占成熟工艺的份额提高到60%，首次超过50%，这是一个新的高度。三年前，专业技术仅占台积电成熟工艺的45%。随着台积电今年同时扩大成熟节点的产能，预计特种技术产能，特别是从28nm到16nm的产能，也将增长12%。

据了解，台积电今年的资本出将达250亿~280亿美元，年增45%~62%；其中80%将用于3nm、5nm及7nm等先进制程，10%用于先进封装技术量产需求，10%用于特殊制程。据悉，台积电竹科12厂与中科15厂都有对应优化制程设计，南科厂方面，南科晶圆14厂第八期也规划为特殊制程应用生产。

先前《日刊工业新闻》曾报导，在日本政府经济产业省的主导下，台积电与索尼可能会在日本合资设厂，该工厂瞄准的也是特殊制程，将生产40nm至20nm的制程为主，主要用于汽车、家用电子与机械产业等类别。

台积电研发资深处长段孝勤此前在论坛中提到，台积电一直投入资源在功率相关的制程工艺技术上，朝降低能耗的目标前进，包括使用在电源管理芯片上的 BCD 工艺。

台积电是第一家采用300mm晶圆生产Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）电源管理工艺的代工厂。2020年台积电针对各种快速增长的移动电源管理IC的不同集成级别的应用扩展了90nm、55nm和22nm的12英寸双极Bipolar-CMOS - DMOS（BCD）技术组合。其中，90nm BCD技术覆盖了从5V到35V的广泛应用，并将在2021年继续扩展。台积电专门优化了5V电源开关，它是用来处理由锂离子电池驱动的不断增长的电力需求。此外，其0.18微米第三代BCD制程技术于2020年完成AEC-Q100验证。

二、重点发力GaN

台积电看到未来十年复合半导体的增长机会，尤其是在五个领域的应用：快充、数据中心、太阳能电力转换器、48V DC/DC以及电动车OBC/转换器。 看好GaN充电特性更快、更轻薄以及更有效率，效率大于过往三倍，同时在数据中心设计上也是如此。

早在2014年，台积电就开始在其6英寸晶圆厂制造GaN组件，并于2015年开始生产用于低压和高压应用的GaN组件。凭借其在硅基半导体制造领域的领先地位，台积电于2017年开始量产GaN-on-Si组件。 

在此需要科普一下，氮化镓半导体器件主要可分为GaN-on-Si（硅基氮化镓）、GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓），GaN-on-sapphire（蓝宝石基氮化镓）等几种晶圆。不同的厂商对这几种方式也有不同的看法，由于价格的因素，硅基氮化镓成为了目前半导体市场主流，而也有人士认为GaN-on-SiC在未来大有可为。

我们看到，台积电也是采用的GaN-on-Si（硅基氮化镓）技术。英特尔最近在IEDM 2021上发布关于GaNg新的突破，英特尔在300毫米的硅晶圆上首次集成氮化镓基（GaN-based）功率器件，此研究验证了300毫米工艺兼容可行性，更适配高电压应用，增加了功能，提升了大规模制造可能性。不知道此举是否也意味着，英特尔将代工GaN。

2020年台积电开始量产第一代650V和100V增强GaN高电子迁移率晶体管（E-HEMT），该晶体管在2020年迅速达到满负荷生产。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM（性能）提高了50%，预计2021年投入生产。此外，其100伏空乏型高电子移动率晶体管（D-HEMT）已完成元件开发，具备优异的性能，且通过多家5G基地台模块设计公司的工程验证，预计于2011年进入试产。

台积电研发资深处长段孝勤在今年9月的SEMICON在线论坛提到，GaN on Si的挑战主要是表面的不平整程度考验，台积电开发了GaN-on-Silicon技术来满足功率和RF组件要求，而外延代工也开发了6英寸GaN-on-Silicon晶圆制造技术等。

台积电在GaN代工领域的客户主要是意法半导体和纳微半导体。2020年，台积电和意法半导体也开始在GaN产品上进行合作，将为ST提供分立产品供应GaN IC，已促成累计超过1 ,300万颗氮化镓芯片出货。除此之外，纳微半导体专有的 GaN 工艺设计套件（PDK）也是基于台积电的 GaN-on-Si 平台开发的。此前纳微半导体首席运营官/首席技术官兼联合创始人Dan Kinzer说：“台积电的交付和质量结果不言而喻，每月出货量超过 100 万个 GaNFast 电源 IC，总出货量超过 1300 万个，现场故障为零。”

据科技产业咨询室的报道，目前，台积电拥有三到四个能够生产6英寸Epi GaN晶片的MOCVD单元，生产能力为1.5-2Kwpm。而且今年初，业界也传出了台积电开始采购氮化镓机台设备，数量达十多台，预估增加产能上万片，业界推测是有重要客户显著增加下单量。

三、SiC代工模式渐起

碳化硅代工业务比硅代工业务更困难。目前也很少有专门的SiC代工厂。但是随着SiC的需求越来越大，根据Yole的预测，到2026年整个碳化硅功率器件的市场规模有望达到50亿美元，市场空间巨大，其中60%以上用于新能源汽车领域。因此不少代工企业开始加码布局SiC代工。

德国的X-Fab将其位于美国的晶圆厂的 SiC 代工产能翻了一番，X-FAB 被认为是第一家在 6 英寸晶圆上提供 SiC 技术的代工厂。此外一些 IDM 和硅代工厂也在探索这个市场。

台积电也开始了SiC的相关研究，此前据钜亨网的报道，台积电董事长刘德音透露，台积电已经做了很多与SiC相关的高压产品，而且台厂的SiC产能最大。SiC也属于Spectialy（特殊工艺）技术，据台积电称，其目前成熟工艺节点的产能将升级为特殊工艺，以支持化合物半导体在台积电生产计划中不断增长的份额。 

关于台积电、Sony的新晶圆厂，三菱电机社长衫山武史在接受FujiSankei Business采访时表示，新建的晶圆厂和三菱电机的工厂、研发据点距离很近，在SiC功率半导体代工上进行合作是十分有可能的。

现在，SiC代工业务体量还是很小，SiC代工业务才刚刚起步。但碳化硅代工厂希望复制成功的硅代工厂模式。虽然在SiC领域，IDM将继续占据主导地位，但Fabless和代工厂也有空间。

四、结语

无论是SiC还是GaN，对于国内一众Fabless企业来说，代工都是必需品。这也将成为我国第三代半导体发展的产能和良率的保证。如台积电这样的大的代工厂的重视，将是第三代半导体蓬勃起飞的关键性因素。

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：杜芹DQ