受惠於5G基礎建設及電動車需求，第三代半導體材料氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)，近年成為市場關注的焦點。這類III-V族化合物半導體的生成方式，是置放一塊基板，透過「有機金屬化學氣相沉積法」(MOCVD)或「分子束磊晶法」(MBE)，使III-V族化合物在基板上形成一層薄膜，逐漸堆積成具有厚度的磊晶片(EPI Wafer)，可以想像成洞窟中鐘乳石形成的概念，這個過程稱之為「長晶」。 其實氮化鎵並不是新材料，過去已採用藍寶石基板，廣泛應用在藍光LED上。但如果要有效降低成本，或是提高效能，就必須將基本材質改為矽(Si)或碳化矽(SiC)，因而產生矽基氮化鎵(GaN-on-Si)、碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)兩種類別，其中，矽基氮化鎵未來將應用於中高壓功率元件，例如快充接頭、車用半導體......等，而碳化矽基氮化鎵則會應用在高功率射頻元件，例如5G基地台、衛星通訊......等。此外，如果不與氮化鎵結合，以碳化矽材質製造的逆變器，廣泛應用在太陽能、電動車......等領域，缺料問題受全球產業高度關注，已爆發過多次綁料風潮。 但這些技術都還面臨許多瓶頸，至今能穩定量產的供應商不多，所以尚未大規模導入終端應用。矽基氮化鎵面臨的問題，是矽與氮化鎵的熱膨脹係數差異太大，在長晶過程中容易發生翹曲、龜裂或破裂的現象，目前只有少數業者能穩定量產6吋矽基氮化鎵磊晶片。碳化矽基氮化鎵面臨的問題，則是要取得高純度碳化矽非常不容易，且長晶所需耗費的時間非常長，過程中監控溫度的要求也很高，目前全球僅有Cree能穩定量產6吋碳化矽基板，市佔率高達70%。 以台系業者來說，環球晶目前有能力供應4吋碳化矽基氮化鎵磊晶片，6吋矽基氮化鎵磊晶片；而嘉晶目前以4吋、6吋矽基氮化鎵為主，同集團的漢磊則提供4吋、6吋晶圓代工服務。此外，台積電、世界先進也有提供6吋矽基氮化鎵代工服務(詳見「III-V族半導體產業地圖」)。但客戶希望能再往6吋、8吋發展，以利規模經濟效益，中美晶也與交通大學合作投入新世代材料開發，未來還有一段路要繼續努力。 而本次中美晶入股宏捷科一案，意味著中美晶想要擴大觸角，集團現有佈局包括： 1. 母公司以太陽能矽晶圓為主，近年受到陸系廠商競爭，本業持續虧損，但2020年7月20日保利協鑫新疆廠爆炸(參考新聞)，影響全球供給量約9%，本業營運浮現轉機。 2. 在半導體矽晶圓領域，中美晶持有環球晶股權51%，環球晶擁有12吋產能約100萬片/月，8吋產能130萬片/月，市佔率居全球第三，並積極發展SOI Wafer、氮化鎵、碳化矽新材料。 3. 在車用半導體領域，中美晶持有朋程股權約19%，並透過朋程間接持有茂矽股權18%。朋程在全球車用發電機整流二極體具領導地位，市佔率近60%，近期朋程陸續將車用整流二極體轉單茂矽，並合作開發IGBT模組，瞄準電動車市場，預計2021年投產。 4. 在基板領域，中美晶持有兆遠股權約43%，主要生產藍寶石基板，為藍光LED的關鍵材料；近期兆遠也切入砷化鎵(GaAs)基板製造，初期以紅光LED練兵，未來將投入光通訊、射頻領域，預計2021年底前會有首款射頻晶片產品出貨。 5. 在半導體材料領域，中美晶持有台特化股權約30%，專供半導體製程用特殊氣體。 由於旗下兆遠切入砷化鎵基板製造，環球晶也積極發展碳化矽基氮化鎵磊晶片，未來瞄準的終端應用就是射頻領域，但集團內並沒有相關廠商，故入股宏捷科就成為完成佈局版圖的最後一塊拼圖。未來宏捷科可提供砷化鎵晶圓代工的經驗，協助兆遠的砷化鎵基板在射頻晶片領域盡快取得認證，同時環球晶也可與宏捷科結盟，開發碳化矽基氮化鎵在射頻晶片領域的應用。但目前為止，碳化矽基氮化鎵的應用領域並不廣，主要是在5G基地台上，全球技術領先的穩懋，碳化矽基氮化鎵營收佔比也只有5%以下，宏捷科則需要更長的時間才能看到貢獻度。 以中美晶集團現有的佈局來看，短期(1年內)發展值得期待的是保利協鑫新疆廠爆炸後，可能誘發太陽能產業短暫缺料，多晶矽價格可望攀升，帶動本業虧損減少或轉虧為盈。中期(1~3年)發展值得期待的是2022~2023年，全球矽晶圓供過於求逐漸緩解，且朋程與茂矽合作IGBT模組開始量產，在客戶端的導入進度逐步看到成果。長期(3年以上)發展才會看到兆遠砷化鎵基板及環球晶碳化矽基氮化鎵的發酵。

去年以來，市場掀起一波矽晶圓缺貨潮，主要由記憶體產業帶動，DRAM、NAND Flash、Nor Flash需求都相當不錯，尤其以NAND Flash表現最強。 根據DRAMeXchange預估，2016~2021年，全球NAND Flash需求量複合成長率達8.5% (詳見【圖一】)，而IC Insights預估，這段期間3D NAND Flash滲透率將從17%提高至86% (詳見【圖二】)。 【圖一】全球NAND Flash市場規模 (2014~2021F, DRAMeXchange) 【圖二】3D NAND Flash市場滲透率 (2015~2021F, IC Insights) 3D NAND Flash滲透率快速提高，主要由PC、Server產業推動，根據Gartner預估，2019年3D NAND Flash在PC、Server產業的滲透率，分別能達到84%、71%，帶來非常強勁的需求成長 (詳見【圖三】)。 【圖三】3D NAND Flash終端應用滲透率 基於記憶體產業強勁的成長，帶動半導體產業對矽晶圓的需求，同時矽晶圓產業因報價逐年下滑，已多年沒有重大擴產計畫，導致供給出現缺口。 根據Global Wafer的預估，因記憶體產業需求強勁，2017年全球十二吋矽晶圓月供給量515萬片，月需求量535萬片，供給缺口達20萬片 (詳見【圖四】)，並帶動矽晶圓報價觸底反彈 (詳見【圖五】)。 【圖四】全球十二吋晶圓月供需結構 (2015~2017F, Global Wafer) 【圖五】全球矽晶圓市場規模 (2007~2017F, SEMI) 但就在昨天，全球第二大矽晶圓製造商，日商勝高科技(SUMCO)宣布，將擴產十二吋矽晶圓月產能11萬片，預計2019上半年開始量產。 根據SUMCO的評估，全球矽晶圓需求成長率，與購買力平價調整GDP (PPP-GDP) 成長率相當接近，推估2016~2020年，全球矽晶圓需求複合成長率約 4.3%。 另一方面，SUMCO也根據自身的接單狀況，推估2016~2020年，全球矽晶圓複合成長率約5.4%，亦即在2019上半年，全球矽晶圓月需求量將較目前增加61萬片 (詳見【圖六】)。 【圖六】全球矽晶圓需求量 (2016~2020F, SUMCO) 儘管SUMCO沒有新建長晶爐、生產線，只是透過去瓶頸的方式，以市佔率為基礎小幅擴產，佔全球矽晶圓總供給量僅2%，但市場擔憂此舉將刺激其他矽晶圓製造商跟進擴產，衝擊矽晶圓報價，導致今日矽晶圓製造商股價普遍下跌。 定錨觀點 相較於PPP-GDP評估需求量增加38萬片，以及SUMCO自估需求量增加61萬片，SUMCO擴產11萬片其實應不至於破壞產業秩序。但今年以來，市場對於矽晶圓產業的預期高度樂觀，SUMCO擴產將會對投資人信心造成衝擊，並下修對未來的預期。 此外，SUMCO自估需求量增加61萬片的數字，也有過度樂觀的疑慮，因近期半導體廠商為鞏固料源，重複下單的情況非常嚴重，一但產業需求面開始減弱，或是供給面擴增，導致廠商感受到料源並沒有那麼吃緊，供需結構就很容易發生逆轉。 最後，投資人應該密切留意，SUMCO擴產打響第一炮後，信越(ShinEtsu)、環球晶(Global Wafer)是否會跟進擴產？ 根據目前定錨研究團隊掌握的資訊，Global Wafer在去年合併SunEdison後，今年的重心放在營運調整，資本支出態度保守；至於ShinEtsu，考量過去幾年矽晶圓價格崩跌，必然不希望產業再度陷入供過於求的情況，資本支出態度應會保持謹慎。 因此，假使ShinEtsu、Global Wafer對資本支出的態度沒有改變，SUMCO的擴產幅度應能順利被消化，利空將逐漸淡化，不再影響股價。

近年台積電持續推動供應鏈在地化，在烏俄戰爭後，全球半導體產業一度面臨氖氣短缺的問題，導致氖氣價格大幅飆升，更加突顯供應鏈在地化的重要性。綜觀晶圓製造成本結構，矽晶圓佔比約30~35%、光罩佔比約10~15%，化學藥劑、特殊氣體......等佔比約5~10%。儘管化學藥劑、特殊氣體成本佔比不高，卻是攸關製程良率的重要一環，2019年4月台積電南科14B廠就爆發出光阻劑材料汙染事件，導致10萬片晶圓報廢，損失高達5.5億美元。 半導體特殊氣體主要分為四個等級，難度由高到低分別為第一級「合成」、第二級「純化」、第三級「混氣與轉充填」，以及第四級「微量分析、特殊部件設計組裝」，越前段的製程享有越高的毛利率。 而在半導體製程的不同階段，會分別需要使用不同的化學藥劑或特殊氣體(詳見【圖一】)，目前台積電所使用的化學藥劑、特殊氣體，主要是由海外廠商供應，例如特殊氣體供應商普萊克斯(Praxair)、林德(Linde)、大陽日酸(Taiyo Nippon Sanso)、液空(Air Liquide)，光阻劑供應商JSR、信越(Shin Etsu)、杜邦(DuPont)，研磨液供應商Fujimi。 【圖一】半導體製程特殊氣體及化學藥劑 1. 爐管鍍膜、化學氣象沉積(CVD)製程： 主要目的是要讓矽晶圓上附著二氧化矽(SiO2)、(氮化矽)Si3N4薄膜，需要使用一氧化二氮(N2O)、矽甲烷(SiH4)；如果是先進製程，對薄膜的緻密度、平滑性、摻雜兼容性......等要求更高，會需要使用矽乙烷((Si2H6)，產品單價是矽甲烷的100倍；而未來更尖端的製程，有可能會需要使用矽丙烷(Si3H8)，產品單價是矽乙烷的5倍。 在薄膜沉積製程完工後，仍會有一些氣體殘留在設備中，此時需要F2、N2進行清潔，確保設備潔淨度符合標準。 2. 深紫外光(DUV)微影製程： 先在鍍上薄膜的矽晶圓表面，塗佈一層光阻劑，再用準分子雷射將光罩畫好的電路圖轉印到矽晶圓表面，最後用顯影劑將不必要的光阻層去除。由於不同製程節點，將使用不同波長的深紫外光，也會連帶影響到準分子雷射氣體的材質，主要分為氟化氬(ArF)、氟化氪(KrF)兩種。 在製程持續期間內，氟化氬、氟化氪氣體將持續耗損，而氖氣也因暴露在大量離子中而摻入雜質，導致純度降低，每隔一段時間就需要更換。氖氣依照純度區分，可分為粗氖、純氖、電子級氖、電子級氖混氣(Ne Mix)，在烏俄戰爭前，烏克蘭佔全球電子級氖氣供給約70%。 在烏俄戰爭後，全球電子級氖混氣價格大漲數十倍，主因氖氣佔半導體製造的成本比例很低，比起停產的損失，廠商更願意高價收購，以維持產線運作。儘管部份設備業者曾提出減少氖氣用量30%的解決方案，但將會導致設備腔體加速耗損，考量設備折舊成本昂貴，這個方案只能作為暫時性替代，無法成為主流。 然而，近期受到成熟製程晶圓代工產能利用率下滑、記憶體減產、廠商囤貨告一段落......等因素影響，電子級氖混氣價格已大幅回落，短期內恐難以回到年初高點。 3. 蝕刻製程： 根據微影製程所繪製的電路圖，用六氟丁二烯(C4F6)、四氟化矽(SiF4)......等氣體，將先前附著在矽晶圓表面二氧化矽、氮化矽薄膜去除。 雖然上述製程所使用到的化學藥劑、特殊氣體，多數是由海外廠商供應，但商業模式通常是由海外母公司負責第一級、第二級前段製程，再由在台獨資或合資子公司負責第三級、第四級後段製程，或是透過代理商銷售，故相關合資廠商、代理商皆受惠於台積電對半導體級化學藥劑、特殊氣體的需求；此外，許多本土供應鏈，也積極發展半導體級化學藥劑、特殊氣體，受惠於台積電推動供應鏈本土化，供貨比重逐漸提升，也持續朝高技術門檻、高附加價值的產品發展，更值得持續追蹤。

朋程於2023年1月11日公告，將斥資14.92億元，以每股99.45元，認購杰力私募普通股1.5萬張，持股比例達29.49%，超越華碩，成為最大股東。 朋程目前主力產品為燃油車發電機整流二極體(STD)，近年因燃油車碳排法規漸趨嚴格，公司也開發出能源轉換效率更好的高效能二極體(LLD)、超高效能二極體(ULLD)，目前STD全球市佔率約60%，LLD、ULLD全球市佔率約70~80%，預估2022年STD、LLD、ULLD出貨量分別達2.1~2.2億顆、6,500萬顆、150萬顆，2023年出貨量將分別達1.9~2.0億顆、7,500萬顆、380萬顆。 【圖一】朋程產品別營收結構 然而，近年全球電動車市場蓬勃發展，持續侵蝕燃油車市場，朋程也積極投入研發，推出48V MOSFET模組、IGBT模組、碳化矽功率模組產品，切入電動車市場。 1. 48V MOSFET模組：應用於電動車啟停系統，但2022年出貨量僅約8萬套，營收佔比約5~6%(詳見【圖一】。此外，公司尚未推出具競爭力的MOSFET晶片，只能採用外購晶片，再自行封裝成模組，導致成本結構不佳，毛利率低於公司平均值。 2. IGBT模組：IGBT於2021年9月首次送樣客戶端進行認證，原訂目標2022年底至少一家客戶導入量產，但進度一再遞延，目前生產線已完備，等待客戶進行驗證，預計2023下半年將少量出貨，初期採用外購晶片，且尚未達到規模經濟效益，毛利率將低於公司平均值。 3. 碳化矽功率模組：主要替日系客戶代工，用於工控領域，目前僅少量出貨，預計下一代改款後才會逐步放量。此外，公司也積極爭取碳化矽功率模組切入車用充電樁，預計2023Q2送樣客戶端進行認證，尚未有明確出貨時程，將積極與客戶洽談2025年以後主流規格的產品。 綜合以上資訊，朋程目前切入電動車市場最大的難題，在於過去只有二極體元件的經驗，對於電動車市場採用的MOSFET、IGBT，公司並沒有足夠的技術能力，只能採用外購晶片，導致毛利率不佳。 杰力則是專業MOSFET設計公司，主力產品為消費性MOSFET，用於NB、Motherboard、Server......等領域，近期積極開發40~200V低壓車用MOSFET，目前已推出產品，期盼能取得車廠認證，切入供應鏈。然而，車廠認證往往需要很長一段時間，尤其是完全沒有出貨實績的廠商，就算取得認證，初期也只會分配到極少量的訂單。 未來雙方合作後，可望提升朋程在MOSFET產品的競爭力，加快導入自製晶片的時程，而杰力也可透過朋程與車廠長期經營的關係，縮短認證期，切入車用供應鏈。