領袖觀點｜全球光電與半導體技術應用發展趨勢
前言
臺灣身為全球半導體重鎮，且在近年各項智慧物聯網裝置不斷發展，面板等顯示裝置應用化合物半導體的需求逐步增加。辛耘深耕光電半導體設備產業多年，在5G、電動車、元宇宙等創新應用推動之下，看好全球在光電半導體的需求將持續增長。
全球半導體市場規模持續增長
個人電腦、智慧型手機、物聯網、電動車等各項應用的迅速擴散，推動半導體應用市場的發展。尤其是在經過COVID-19的疫情影響之下，消費市場對電子產品的依賴性變高，根據推估，如圖1，全球半導體市場規模在2022年達到6,760億美元，而2023年將有望進一步成長至6,910億美元[1]；不過隨著疫情效應逐漸消退，半導體市場也將回復平穩，預計在接下來幾年半導體的需求將會回到正常軌道，但長期來看，科技的進步如AI、5G、6G的發展、以及在淨零碳排趨勢下對電動車的需求，仍將進一步推升半導體市場的中長期發展。
圖1 全球半導體市場規模圖
臺灣由於擁有台積電的先進製程，在全球半導體製造居於領先地位。先進邏輯製程是指半導體製造過程中採用最先進的技術與工藝，特點是線寬和間距非常小、電晶體的尺寸和數量則非常大，使得晶片可以更快速高效的運作。全球主要的先進製程製造商除了臺灣的台積電，還有韓國的三星和美國的英特爾，目前台積電在7 nm和5 nm的先進製程量產時間與良率均領先三星與英特爾，但台積電、三星、英特爾均規劃在2025年導入2 nm製程量產，且皆採用GAA結構，預計2025年將成為先進製程競爭的重要時程，並在此前就帶動先進製程設備的市場需求。
電動車、5G、6G等發展推動化合物半導體成為關鍵
因應高頻、高功率的需求，化合物半導體已成為全球發展的主要趨勢。化合物半導體材料具有較高的電子遷移率、較高的閥值電壓和較高的耐高溫性能，在功率和頻率特性方面表現比傳統半導體材料更佳，因此在通訊、能源、軍事等領域獲得廣泛的應用。以SiC半導體為例，其絕緣破壞電場強度與Si相比高約10倍，可製作高不純物濃度且薄膜厚的漂移層，而且由於能隙約為Si的3倍寬，可製作在高溫下也能作動的功率元件。
現在在全球能源與碳排放議題升溫之下，電動車的發展特別受到重視，相較於傳統的燃油車，電動車在能源使用效率、空氣汙染、噪音污染等方面都具有優勢。而在電動車的發展中，化合物半導體的應用可以提高電池、驅動器和充電器等電力電子設備的效率和可靠性，以提高電動車的續航力與充電速度，同時化合物半導體技術還能以較小的體積、較輕的重量和更簡化的系統結構進一步促進電動車發展。因此，電動車成為SiC功率半導體市場主要的驅動力之一，包括牽引逆變器、車載充電器、DC/DC轉換器、壓縮機等的應用，2022年SiC功率半導體市場規模達到約16億美元，至2026年預估將成長至53億美元，其中車用市場在2026年將達到39.4億美元，約占整體SiC功率半導體市場的74.3%，如圖2[2]。除此之外，5G、6G等高速無線通訊技術的發展、低軌衛星的興起，都將更加依賴高效率、高速度、低延遲的通訊技術，也擴大了對化合物半導體的需求，SiC、GaN等高功率半導體材料，在未來的科技應用前景將具有重要地位。
圖2 全球SiC功率半導體市場規模圖
元宇宙後勢可期，推進Mini/Micro LED市場需求
在GaN材料應用方面，次世代顯示技術的需求如元宇宙、車用背光等領域，大力的推動了Mini/Micro LED的市場需求。1993年日亞化學公司成功以GaN及InGaN材料開發具有高亮度的藍光LED，並以此獲得諾貝爾物理獎；目前彩色LED顯示器已運用此項技術並應用在大尺寸面板上。隨著元宇宙議題的崛起，市場對高品質、高解析度顯示器的需求增加，而Mini/Micro LED技術的發展符合此一趨勢，能夠提供高對比、高亮度的顯示效果，且顯示器的顏色飽和度也非常高，出色的色彩還原能力使得Mini/Micro LED成為發展元宇宙應用的理想技術。
根據國際調研機構Yole的市場分析報告指出，如圖3，到2025年Mini/Micro LED的市場規模將超過200億美元[1]，且還會有進一步成長，除了看好元宇宙的後續應用，還能夠用於其他XR顯示設備與裝置如手機、平板電腦、電視、車用顯示器、AR/VR眼鏡等。Micro LED的技術可以直接將R、G、B三原色的晶粒拼成一個像素點，不需要濾光片和液晶層，與過往LCD螢幕的發光結構不同，因此可望為LCD產業帶來全新局面。然而Micro LED技術從前期的磊晶技術、巨量轉移良率、封裝測試、到後續的檢測維修都還有許多瓶頸需要解決，影響到Micro LED是否能量產。
圖3 Mini LED背光消費性電子設備市場圖
而Mini LED做為過渡傳統LED背光基礎的改良版本，在LED顯示螢幕的性價比方面，Mini LED背光的市場規模不斷增長，Mini LED技術中的多區背光調控功能可達成分區調光，例如強化畫面的高對比度與高解析度，達到HDR效果；另一方面使用Mini LED晶粒，可以打造顯示畫素間距低於Pitch 1.0mm大尺寸螢幕。主要應用於電視及筆記型電腦，後續在顯示器及車用方面的市場也將進一步擴大，預計至2025年，Mini LED背光電視將占高階電視一半以上的市占率。
在零碳排減碳議題發酵下，2022年全球電動車銷售量超過900萬輛，推升了車用顯示器的應用率。尤其是智慧座艙的導入將使電動車設計使用更多面板，顯示器使用數量與尺寸都將持續成長。根據InfoLink推估，如圖4，2022年每輛汽車平均顯示器使用量為2.5台，至2026年每輛汽車平均顯示器使用量將成長為3.5台，如再乘以未來電動車銷售量，市場需求規模驚人。車載Mini LED顯示器出貨量最大的兩個部分分別為駕駛儀表板和中控台，預估至2026年，車用Mini LED封裝、燈板出貨總量將超過5千萬片[3]。
圖4 全球車用Mini LED出貨量圖
全方位製程與檢測解決方案強化臺灣的優勢
臺灣為全球半導體產業重鎮，除了有台積電位於半導體製造領導地位，半導體產業聚落完整；然而大多數半導體關鍵設備仍掌握在國際廠商手中，因此我國政府也有意將臺灣推進打造為「亞洲高階製造中心」及「半導體先進製程中心」。
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