【總投教學】如果晶圓代工是肥肉,半導體材料就是蛋白質?

儘管半導體晶圓代工是肥肉,事實上,半導體材料成長率比整體半導體市場還高,更適合<總經投資>,但在投資前,你最好先了解半導體材料是什麼,你才能找到<優質>投資標的...

我們在上次的【總投教學】中，已經介紹半導體產業的三大商業模式，也就是無廠半導體公司 Fabless、晶圓代工公司 Foundry和整合元件製造商 IDM。

這三大商業模式的重點在於對IC設計、晶圓代工、封裝、測試這些步驟的整合與分工。

但老實說，在半導體產業中，技術最難且最重要的不是上面這些步驟，而是更上游的「半導體材料」，因為這些材料牽動著，下游廠商製造出來IC功率大小與頻率高低，這都會直接影響產品的效能，例如，網路以及電池充電速度的快慢。

根據國際半導體產業協會（SEMI）預估，2020年全球半導體產值可望達4260億美元，年增率將成長3.3%，台灣產值可望突破1050億美元(約新台幣3兆元)。

不過，SEMI全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸還表示，全球半導體材料市場則將略增至529.4億美元，明年可望攀高至563.6億美元，年增約6%，台灣半導體材料市場今年可望達118.3億美元，明年將達125.6億美元，都將高居全球第一。

從以上數據我們能看出，半導體市場還在蓬勃發展且產值驚人，但半導體材料市場也不容小覷，甚至成長率還高過半導體整體市場，是個不錯的總經投資佈局標的。

當你了解半導體的材料後，你就能依照市場的需求和趨勢，找到合適的投資標的。

因此，這次就來和大家簡單科普一下甚麼是「半導體」，以及「半導體材料」，讓大家對半導體有個概念，但關於半導體的導電特性是跟許多物理、化學性質有關，我想，不是本科系的人應該難以理解。

所以，我會用白話的方式，讓大家大致上瞭解半導體材料，以及相關廠商。

首先，甚麼是半導體?

用白話來說，你每天都會用手機或電腦打開Line、臉書等程式做各種事情，而這些電子產品為了瞬間應對你做出的每個動作，就要靠電子產品中積體電路的「電控開關」來達成邏輯運算。所謂的「電控開關」顧名思義，就是以電流來控制開關，而人類為了操控電流是否流通，就需要導電或絕緣可以由外頭施加電壓來操控的物質，也就是介於導體和絕緣體之間的半導體。

半導體產業發展至今，我們可以將半導體材料分為三個世代。

1.第一代半導體。

第一代半導體是「元素半導體」，例如，鍺(Ge)和大家耳熟能詳的矽(Si)，而所謂的矽其實就是沙子，在地球上隨處可見，是地殼中含量第二多的礦物，代表著矽幾乎是取之不盡用之不竭，這也代表著矽是成本較低廉的材料，且因矽基半導體的技術較成熟，矽被廣泛應用於各種積體電路和器件之中，例如，我們常聽到的CPU、記憶體等。

全球約90%的半導體器件都是用矽當基底材料，目前還沒有其他半導體材料可以撼動矽在市場上的地位。

大致認識矽之後，接著帶大家來認識一下矽的最大用途，也就是「矽晶圓」的製造流程。

半導體產業要製造產品，載體必定離不開晶圓(Wafer)，而傳統半導體產業，若想製造出品質高又穩定的好產品，就要用「直拉法」製造出原子排列整齊的「單晶結構」晶圓當基底才行，因為單晶結構相比起多晶結構更加穩定，且更重要的是，導電性也更好。

而所謂的「直拉法」，就是目前大多晶圓廠用來把多晶結構的材料，製造成單晶結構晶棒的技術。

以矽來舉例，先將沙子(二氧化矽)還原成矽，並提純成99.999999999%純度的多晶矽後，將多晶矽溶解成液態，再將一根單晶矽棒當做「晶種」深入其中，一邊旋轉一邊向上拉起，就可以讓原本原子排列較雜亂的多晶結構，轉變為排列整齊、穩定可靠的單晶結構，進而製造出一根「單晶矽晶棒」。

當日本信越、嘉晶，以及近期併購世創電子，成為全球第二大晶圓廠的環球晶等晶圓廠商，用「直拉法」技術生產一根「單晶晶棒」後，就會用鑽石切割刀，從「晶棒」切割出晶圓，並透過打磨、拋光，製成拋光晶圓片(Substrate)，接著，晶圓廠就可把晶圓片出貨至台積電、三星、英特爾等積體電路(IC)製造廠商加工，這就是晶圓製造的簡易流程。

矽晶圓代表公司：日本信越、環球晶(6488)、嘉晶(3016)、合晶(6182)、台勝科(3532)。

2.第二代半導體。

接著，因為通信設備和光纖網路的快速發展，人們對半導體傳導頻率的需求提高，因此，出現了第二代半導體「化合物半導體」，有砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等，其中以砷化鎵技術較成熟，應用也較廣，傳輸速度是矽晶圓的五到六倍，是現今絕大部分通信設備的材料，你我的手機、平板，以及網路基地台和Wi-Fi盒中都有它的蹤影。

但GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，並且還有毒性，可能致癌且會污染環境，這些缺點使得第二代半導體材料的應用有很大的局限性。

而「化合物半導體」的晶圓大多是用「磊晶(Epitaxy)」的方式製成，所謂磊晶就是，在晶格匹配的基板(拋光晶圓片Substrate)上，長出一層薄薄的單晶新結晶(薄膜沉積)，作為新半導體層的技術，用磊晶技術製成的晶圓，我們就稱他為磊晶晶圓(Epitaxial Wafer)。

砷化鎵晶圓代表公司：Skyworks、Broadcom、中美晶(5483)、全新(2455)。

砷化鎵晶圓代工廠：穩懋(3105)、宏捷科(8086)。

3.第三代半導體。

關於第三代半導體，我在上期【超深V周報】中已有分析，有興趣的朋友可以點擊連結閱讀，這邊只會簡單幫大家複習，以及補充第三代半導體的技術門檻。

半導體的導電性就是由半導體的「能隙」大小決定的，因此，能隙愈寬的半導體，就愈具備耐高電壓、高電流與高溫，以及導通電阻小、導熱率高和高頻的特性，以上特性可以讓電子設備體積大幅縮小，且能用在許多特殊惡劣環境。

因為矽的功率與頻率，已經無法滿足人類日新月異的科技發展速度，因此，能隙寬度約是矽的約3倍，且具有高節能、高功率等優勢的第三代半導體「寬能隙半導體」，例如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等，就成為了可運用在5G基地台、高鐵、綠電、電動車、伺服器、雲端設備等高頻、高壓、高功率元件的半導體先進材料代表。

因此，在高頻、高壓的功率、射頻元件市場，SiC和GaN都會逐漸取代Si和GaAs，相對的，在大多消費性電子產品使用的普通功率、射頻元件市場，因成本考量，依舊會使用Si和GaAs。

然而，SiC和GaN雖是半導體材料的明日之星，但現階段卻有成本、量產難度太高和良率低的致命缺點，導致普及率遠遠不及矽。

為什麼呢?

因為碳化矽和氮化鎵的製造技術門檻實在太高了。

以當前最普及的Si材料來說，長晶的晶種材料取得容易，且平均3~4天就可用前面提到的「直拉法」，拉出一根約200公分長度的晶棒。

但SiC材料的晶種卻需要一片高品質的晶圓，取得不易，且為了合成Si(矽)和C(碳)兩個元素，需要用比起生產矽晶棒高上1000多度的攝氏2600度高溫，利用加熱昇華的方式，使Si和C的蒸氣附著於上方的晶圓，進而長出SiC的晶柱，平均5~7天只能長出約2公分的晶柱，造成了量產的難度以及成本的增加。

目前全球製造SiC基板技術最好的廠商只有Cree(科銳)，此優勢讓Cree獨霸SiC市場，全球市佔率高達6成，還讓Cree得以「坐地起價」，一片六吋的SiC基板價格高達一千美元甚至數千美元，而六吋的Si基板不過才一百多美元。

接著，GaN的技術門檻在於大多用「磊晶」的方式製造，但目前市場上所有基板的晶格都無法和GaN完全匹配，因此GaN必須附著於外來的基板上，最常用到的外來基板就是藍寶石、SiC及Si。

然而，Si基板雖便宜，但和GaN的晶格匹配低，使得良率較低，接著，SiC基板雖和GaN晶格匹配高，但SiC基板成本太高，造成了量產困難，這就是GaN無法普及的其中幾個原因。

目前有許多台廠，都已開始佈局和量產第三代半導體的晶圓製造以及代工，詳情可見上一期的【超深V周報】。

總之，現在是<知識變現>時代，當你的知識力不足，勢必無法跟上時代押對投資標的。

半導體產業在未來幾十年，仍是人類最重要且最有市場潛力的產業，當你了解產業趨勢，以及產品的原理和應用後，你才能快速找到優質的投資標的，讓知識在投資上變現。

這次帶大家認識半導體材料和最上游晶圓的製作方式後，接下來，我們就會繼續帶大家了解半導體產業最廣泛的應用，如積體電路(IC)、記憶體等，未來我們還會製作Mini LED、電池等產業的科普，幫大家補充這類知識。

如果你有想了解的其他產業原理和應用面，也可在下方留言告訴我們你想了解的產業，我們在未來會找時間製作並分享給大家。

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