【科技人帶路】化合物半導體傳教士！GaN Systems副總裁莊淵棋：無論GaN或SiC都有應用甜蜜點

「為什麼熱門？為什麼要用它？為什麼這個東西已經30年、40年，……可是叫好不叫座那麼久？為什麼最近要起來？」，從本土晶圓代工廠到大陸半導體業，再回到台灣出任漢磊總經理，去年則轉戰加拿大商負責全球業務開發的GaN Systems副總裁莊淵棋，不厭其煩在大大小小的論壇、座談向投資人、研究員、產業分析師解釋寬能隙半導體，甚至連自家一對兒女也被說服往這個專業領域發展，儼然像個「傳教士」。

台灣半導體產業成了護國群山，不過，寬能隙化合物半導體發展方興未艾，投資市場或產業研究上依舊有不同論述。「不是一桿子打翻一艘船」，莊淵棋強調，寬能隙半導體在碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）絕對不是哪些領域用，哪些領域不能用，而是從技術發展與需求應用上出發。《Yahoo奇摩財經》刊出【科技人帶路】系列，透過科技人的視角，一起來探討科技產業的經營策略及細緻內涵。

GaN或SiC不會有單一元件獨占市場

從科普談起，化合物半導體從冷到熱，未來發展有什麼機會？「法律、法規硬性要求必須migrate（移轉）到更高的節能標準」，「這些限制導致你原先材料、原先架構已經沒辦法滿足了，就必須要做改變了」，莊淵棋以再簡單不過的話語道破產業迷思。

他解釋，電汽化、數位化、永續目標確立讓能源效率議題受重視；矽元件逐漸接近物理極限，微幅提升效能就需極大的投資，反觀化合物半導體在目前仍離性能極限有段距離，且在尺寸微縮，能源效率提升，整體成本效益上帶來顯著的優化。

莊淵棋特別強調，無論是GaN或SiC，都有應用甜蜜點，客戶將會根據商業需求及性價比選擇不同材料的功率元件，不會有單一元件獨占市場情形。

就像學者魂上身，從材料特性上，他分析，矽/氮化鎵/碳化矽操作頻率60KHz 以下，Si/SiC/GaN沒有太大區別；操作頻率在60KHz-150KHz區間，Si已沒有優勢，但SiC、GaN區別仍不明顯；但操作頻率超過150KHz時，GaN在開關損耗上便有顯著優勢，且GaN的操作頻率還有極大提升空間。

而這也反映在目前市場應用上的爭論，莊淵棋一一耐心說明，GaN、SiC 寬能隙材料較傳統矽材料更能耐高溫、高壓及高頻的特性；GaN元件常用於900V以下領域、SiC則適用於1200V以上電壓；GaN有極低開關耗損、SiC在傳導耗損上較有優勢。

GaN在電動車上應用契機浮現

若在電動車上應用，當然每個部件隨技術、成本、應用需求不同也會有所差異，他還指出，OBC（車載電池充電器）趨勢將往更小尺寸更高功率密度發展(目前3.3kW-6.6kW為主流，未來將往11kW-22kW發展)，就需靠拉高操作頻率來達到，當開關頻率超過150KHz時，GaN能耗優勢就大幅優於SiC。

而牽引逆變器因操作頻率需求不高，目前以SiC為主流；但若將一般市區行車模式(油門踩放)考慮進去，GaN的低開關耗損(switching loss)便受到青睞。至於常見800V/400V-12V或48V-12V DC/DC轉換器，剛好落於GaN適用電壓範圍(50V-900V)；SiC適用於1200V、甚至1700V以上超高電壓應用(高鐵/發電)，考量製造成本，SiC在600V以下基本上沒有優勢。

至於充電樁雖目前沒有體積微縮的需求，但莊淵棋則認為，未來電動車數量快速成長、且電池容量增大、快速充電需求上升時，充電樁需搭配儲能設備以防止同時大量用癱瘓整體電力系統，儲能設備在體積與能源轉換效率上的需求，便成為另一個GaN切入的契機。

Tesla減少SiC用量為哪樁？

年初電動車龍頭Tesla傳出將減少SiC用量，引起市場側目。莊淵棋分析，意法半導體(STM)為Tesla SiC元件的主要供應商，其第三代SiC產品的die size較前一代尺寸縮小了40%，推測第三代產品在尺寸上只有第一代的 1/3。電動車電池系統從400V往800V發展，使用 1200V SiC，所需die數量將減半。此外也可能與OBC網小尺寸高功率發展有關。

他還解說，以Tesla Model 3的逆變器目前採用24個電源模組，其中每個電源模組需要2個 SiC MOSFET (一台車 = 48個SiC MOSFET)，最大競爭對手比亞迪（ BYD） 的高規電動車款(漢)，在二輪驅動車種上採用SiC模組，四輪驅動車種上則是前輪採IGBT、後輪採SiC，Tesla有可能跟進。

再者，Tesla曾透露「已使用全球80% SiC產能」，SiC產能上的挑戰仍無法解決下，且Tesla仍追求大幅成長的雄心壯志下，尋找其他替代方案則是合理的商業策略。

台晶圓代工製程優勢還有3-5年

但到底台灣在寬能係半導體能扮演什麼樣的角色？尤其包括台積電、聯電、力積電、世界先進目前都有投入發展GaN製程。他認為，台灣在8吋晶圓代工的技術領先優勢及機台設備完全折舊的基礎下，若與像GaN Systems這樣擁有技術know-how的公司密切合作，台灣晶圓代工在GaN-on-Si的製程上仍具3-5年的優勢。

對於挑戰與瓶頸，他認為，就是「市場」。台灣在發展化合物半導體上時程落後歐美、日且經濟規模不足，尤其在SiC的發展上更將遭遇挑戰，技術及資本落後，且缺少國內應用出海口。

另外，SiC基板長晶困難且技術門檻高，加上初期設備投資金額較高，需要一定經濟規模才有機會在成本上取得優勢。就中國市場來看，大陸十四五政策，投注約10兆人民幣發展第三代半導體，就是以SiC為大宗；美晶片禁令加速中國轉往設備技術門檻較低的SiC製程；中國有應用廣大出海口(電動車)，G2效應會使國外廠商在中國失去優勢。

但反觀GaN，他仍看好台商掌握生產技術優勢，主因台灣主要晶圓代工業者在GaN的布局相較早，GaN-on-Si製程在基板取得上較容易，目前也是GaN元件商如Navitas、GaN Systems、EPC等重要委外製造夥伴。

若從系統廠角度來看，莊淵棋說明，氮化鎵或是其他新興寬能隙功率元件對系統廠都是新技術，在系統整合上仍需要持續調整與優化，不同系統廠在不同的元件材料上有不同的商業考量與布局，但電力系統朝小尺寸、高功率密度、高頻操作的趨勢不變。以自家公司為例，也從產品設計初期便密切與客戶及供應商合作，協助它們累積知識與經驗，進一步縮短設計週期與產品上市時間。

工程師經驗加總不到百年「會很辛苦」

莊淵棋過去在公開場合上曾針對化合物半導體人才拋出「逃兵回來了」看法，訪談中，他不經意說要「臭屁一下」，透露自己在國立大學就讀理工科系的一對兒女，若以現在台灣半導體發展，未來很可能就進到台積電，但他認為，「人多的地方不要去」，「不要人云亦云」，現在也朝向相關領域做研究。

他無奈說，過去因缺少工作機會及相對應的薪資待遇，台灣在這方面的人才缺少，即使在學校主修相關學科的學生，也大多投入台積電、聯發科等公司。

但由於GaN元件結構、製造封裝方式與Si或SiC相差甚遠，GaN晶格常數差異大，製造過程會產生缺陷，需要具有GaN元件物理知識，並靠經驗與時間累積才能發展獨有的失效驗證模式，提高元件可靠度，就像類比IC需要仰賴「老師傅」。

「工程師相關年資加起來沒有到100年以上其實都滿辛苦的」，莊淵棋直言，不是說不會成功，只是機率相對比較低，而且會很辛苦，但若超過100年，學習曲線會縮短，可是台灣這一塊人才少，「怎麼湊這個100年？」。

他建議，產學研需密切配合，提供適合的環境，逐步建構這方面的人才庫。隨著化合物半導體逐漸受到重視，外商在台的投資將創造更多工作機會，如GaN Systems延攬莊淵棋後，一年多來公司人數由60人暴增到200多人，也等於幫助台灣建構GaN領域人才庫。

延伸閱讀

【科技人帶路】友達轉型「小金雞成關鍵」！彭双浪要強化價值：非面板將走出虧損陰影

【科技人帶路】「LED併購天王」李秉傑像拿了產業望遠鏡！一出手就搶蘋果大單

【科技人帶路】受郭台銘器重！洪進揚從水泥王子「迎群創20周年」：新階段要超越面板

• Yahoo財經特派記者 呂俊儀：資深財經媒體工作者，曾任採訪團隊主管，專訪過長榮集團創辦人張榮發、鴻海創辦人郭台銘，也歷經台積電創辦人張忠謀退休記者會等大事件，堅持產出最專業、富有洞見的新聞。