2024-08-21|閱讀時間 ‧ 約 29 分鐘

JT幫你當書僮 - 半導體專題 - 半導體材料的演進與台灣企業的貢獻

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半導體材料的演進與台灣企業的貢獻

引言

半導體材料是現代科技的核心力量,支撐著智能手機、電動車、5G通信和人工智慧等技術的飛速發展。隨著科技的不斷進步,半導體材料經歷了從鍺(Germanium)和矽(Silicon)到氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)和碳化矽(Silicon Carbide, SiC)的重要演進。這些材料的突破不僅推動了新技術的誕生,也大大提升了各種產品的性能。在這一進程中,台灣企業發揮了至關重要的作用,特別是在晶圓代工和IC設計領域。台灣的半導體企業,如台積電(TSMC)、聯發科(MediaTek)、日月光(ASE)、環球晶圓(GlobalWafers)、旺宏電子(Macronix)等,為全球半導體材料的創新和應用做出了顯著貢獻。

半導體材料的歷史演進

1. 鍺和矽:早期的半導體材料

20世紀中期,鍺(Germanium)是早期半導體的核心材料,憑藉其高電子遷移率,鍺成為了最初的晶體管和電子元件的首選。然而,由於鍺在高溫下性能不穩定,逐漸被矽(Silicon)所取代。矽材料因其卓越的熱穩定性和低成本,成為電子產業的主流材料。更重要的是,矽可以形成天然的氧化層,使其成為製造金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的理想選擇。MOSFET的發明推動了集成電路(IC)的發展,奠定了矽在電子產業中的主導地位。

台積電(TSMC)作為全球領先的晶圓代工廠,在矽基製程技術上不斷突破,從28納米到5納米,再到即將量產的3納米製程,台積電始終保持技術領先地位。這些製程技術的進步,直接促成了智能手機、筆記型電腦和高性能計算機的性能提升和普及應用。如今,矽材料在消費性電子領域佔據了80%的市場份額,在車用電子、通信設備、工業電子、醫療電子和航空航天電子中也分別佔據了70%、60%、65%、75%和60%的市場份額。

2. 化合物半導體:鎵砷和磷化銦的崛起

隨著高頻和高性能應用需求的增長,化合物半導體材料如鎵砷(GaAs)和磷化銦(InP)逐漸崛起。鎵砷具有比矽更高的電子遷移率,使其在高頻放大器、微波設備和光電元件中具有顯著優勢,尤其在製造高效能LED和激光二極體方面。磷化銦則在光通信系統中佔據重要地位,能夠在極高數據傳輸速率下工作,且適用於長距離數據傳輸。

台灣的聯發科(MediaTek)在推動鎵砷和磷化銦材料在5G和物聯網設備中的應用方面表現出色。聯發科的射頻模組和基頻處理器廣泛應用於智能手機和通信基站中,顯著提升了通信設備的性能和可靠性。鎵砷材料在通信設備中的市場份額達到了20%,在車用電子和工業電子中的應用也各佔據了3%和2%的市場份額。磷化銦則在通信設備中的市場佔比為5%。

3. 寬能隙半導體:氮化鎵和碳化矽的興起

隨著對高功率和高頻應用需求的增加,寬能隙半導體材料如氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)迅速崛起。氮化鎵因其高能隙特性,特別適合於5G基站、快速充電器和高效能電源管理應用。碳化矽則以其出色的熱導率和高耐壓特性,成為電動車逆變器、車載充電器和可再生能源設備中的關鍵材料。

在台灣,環球晶圓(GlobalWafers)作為全球領先的半導體矽晶圓供應商之一,在氮化鎵和碳化矽基材的研發和生產方面投入了大量資源。這些材料廣泛應用於高效能功率電子和先進通信技術中。氮化鎵材料在消費性電子中的市場份額達到10%,在車用電子、通信設備、工業電子、醫療電子和航空航天電子中分別佔據了7%、15%、8%、10%和5%的市場。碳化矽材料則在車用電子和工業電子中分別佔據了20%和25%的市場份額,在航空航天電子中的市場佔比達到了15%。

台灣企業的貢獻

台灣企業在全球半導體產業中扮演著舉足輕重的角色,不僅在製造技術上領先全球,也在材料創新和應用方面不斷推動行業進步。

  • 台積電(TSMC):台積電是全球晶圓代工的龍頭企業,掌握了7納米、5納米、甚至3納米製程技術。台積電與全球主要IC設計公司(如蘋果、AMD、高通等)的緊密合作,推動了半導體製造技術的快速發展。
  • 聯發科(MediaTek):作為全球領先的無晶圓IC設計公司,聯發科在5G技術和通信晶片中取得了顯著成就。其先進的射頻技術在鎵砷和磷化銦材料的應用中發揮了關鍵作用。
  • 日月光(ASE):全球最大的半導體封裝和測試服務供應商,日月光的創新封裝技術(如系統級封裝SIP)顯著提升了晶片的性能和可靠性,這些技術被廣泛應用於智能手機、電腦、汽車電子等領域。
  • 台達電子(Delta Electronics):台達電子是全球領先的電源管理解決方案供應商,在工業電源和自動化設備中廣泛應用碳化矽和氮化鎵材料,顯著提升了設備的能效和可靠性。
  • 旺宏電子(Macronix):旺宏電子是台灣領先的非揮發性記憶體(NVM)供應商,開發了基於氮化鎵和碳化矽技術的高效能記憶體產品,這些產品廣泛應用於智能手機、物聯網設備和航空航天市場。


半導體材料的應用與市場佔比

半導體材料在消費性電子、車用電子、通信設備、工業電子、醫療電子和航空航天電子等領域中各具優勢,並且隨著技術需求的提升,其市場佔比也在不斷變化。以下是這些主要領域中半導體材料的應用及其市場佔比:

  • 矽材料
    • 消費性電子:80%
    • 車用電子:70%
    • 通信設備:60%
    • 工業電子:65%
    • 醫療電子:75%
    • 航空航天電子:60%
  • 鎵砷材料
    • 通信設備:20%
    • 車用電子:3%
    • 工業電子:2%
    • 航空航天電子:20%
  • 磷化銦材料
    • 通信設備:5%
  • 氮化鎵材料(GaN)
    • 消費性電子:10%
    • 車用電子:7%
    • 通信設備:15%
    • 工業電子:8%
    • 醫療電子:10%
    • 航空航天電子:5%
  • 碳化矽材料(SiC)
    • 車用電子:20%
    • 工業電子:25%
    • 航空航天電子:15%

這些數據顯示了不同材料在各領域中的應用程度,並強調了台灣企業在推動這些材料廣泛應用中的重要作用。透過矽材料、化合物半導體和寬能隙半導體材料的技術突破,台灣企業為全球市場提供了先進的技術解決方案,這些解決方案不僅提升了產品性能,還促進了行業的技術升級。

結論

半導體材料的演進是推動現代科技進步的重要力量,從早期的鍺和矽,到現代的氮化鎵和碳化矽,每一種材料的進步都在推動各種應用領域的技術發展。台灣企業在這一過程中扮演了關鍵角色,從製造技術的領先到材料創新的推動,台灣在全球半導體市場中佔據了重要位置。

台積電、聯發科、日月光、環球晶圓、旺宏電子等台灣企業,通過不斷創新和技術突破,為全球科技產業提供了強大的支持。這些企業不僅推動了消費性電子、車用電子、通信設備、工業電子、醫療電子和航空航天電子的技術進步,也為未來的科技創新奠定了堅實的基礎。

隨著科技的不斷進步,台灣企業將繼續在全球半導體市場中發揮重要作用,為新材料的研發和應用提供源源不斷的動力。這些技術創新不僅提升了全球市場的競爭力,也使得半導體技術能夠更深入地融入我們的日常生活,改善我們的生活質量,並推動社會的數字化轉型。

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