2021年，美國總統拜登簽署了第14017號行政命令，指示能源部與其他單位評估國家關鍵供應鏈韌性與安全性，並擘劃支持美國經濟與國家安全的六個工業基礎戰略。因此，美國能源部透過國家實驗室評估其工業部門的供應鏈，其中特別著重於能讓美國於2050年完成排碳計畫所需的技術。

半導體技術是一項關鍵技術，因其幾乎存在於所有的電子設備，包括對排碳至關重要的電子設備，例如電動車、工業與建築應用、發電機與終端產品等等。應用半導體技術的電力電子設備除可提高工業設備的能源效率與可控性，也可用於提高數據中心與關鍵基礎設施的可靠性。此外，電力電子設備漸被重用於整合再生能源與其儲能系統，進而升級電網並逐步發展為微電網。電力電子系統的核心在於使用大容量的半導體元件，故其產業成長取決於半導體產業之持續創新。

目前的半導體產業擁有複雜、競爭與高度整合的國際供應鏈，美國在半導體供應鏈的歷史上享有主導地位，然而隨著時間推移，此地位正逐漸衰弱中。為實現美國2050年前排碳之能源轉型目標，其半導體供應鏈的成長、能源效率與安全性也必須隨之轉型。因此該報告著重於能源工業應用的美國半導體供應鏈風險評估，分析其安全漏洞與機會，提供政策建議以實現穩健清潔的戰略能源轉型。

一、市場分析
半導體是能源領域的關鍵技術，也對美國經濟至關重要，是美國2020年第四大出口產品。其中寬能隙電力電子元件是這個產業的一部分，它們將在未來呈現爆炸性成長，並用電氣化方式實現排碳的需求，因此需要持續開發此技術至高壓應用領域以滿足能源部門需求。該報告概述了半導體供應鏈現況，包括傳統半導體與寬能隙半導體，並對其風險做評估，以確認應對風險之機會與挑戰。

市場方面，2021年全球半導體市場總體價值為5530億美元，較2020年成長幅度超過25%。分析2020年傳統半導體以終端應用分類之市場，其中以運算與通訊應用占全球市場的60%以上，而工業與汽車應用分別占全球市場的12%與11.4%。雖然更快且更節能的寬能隙半導體 (SiC與GaN) 的全球收入已從2015年的兩億美元大幅成長，但在2020年的功率元件市場占比低於5%。儘管如此，至2030年，受惠風力發電與電動車的發展，預計寬能隙半導體市場至少可成長50%以上。

二、供應鏈對應關係
半導體市場架構全球化且極度複雜，除一般供應鏈所包含的原料、加工材料、零組件、產品與報廢回收/再利用五大部分外，半導體供應鏈還多了設計、製造設備 (Semiconductor Manufacturing Equipment, SME) 與組裝封測 (Assembly, testing, and packaging, ATP) 等環節。
半導體生產主要包括三個主要步驟：設計、製造與組裝封測，這些步驟可以由一家公司(稱整合設備製造商, Integrated Device Manufacturer, IDM)執行，也可由不同公司執行。當由不同公司進行半導體生產時，無晶圓廠(fabless)進行設計並與代工廠簽約，再由外包的組裝與測試公司生產晶片。以下概述美國半導體供應鏈現況：

1. 設計：美國擁有強大的半導體產業，但依賴於有限的知識財產權、勞動力與製造廠。
2. 組裝與封測：美國依賴亞洲的外國組裝封測公司，美國與其合作夥伴雖擁有先進的封裝能力，但缺乏開發先進封裝技術的生態系統。
3. 製造材料：美國與其盟國在化學與電子氣體生廠方面擁有強大能力，外國供應商主導矽晶圓、光罩與光阻市場。
4. 半導體製造設備：除光蝕刻設備外，美國的製造設備在大多數前端的中小企業生產中占重要比例。後端部分，雖然美國在測試設備中占相當比例，但在封裝設備的市場占比卻很小。

寬能隙半導體半導體部分，其供應鏈與傳統半導體部分相同，其差異在於其市場中的產品與流程，包括原料、零組件、終端產品與封裝等。

三、供應鏈風險分析
(一)、傳統半導體供應鏈風險評估
美國已於先前發佈之100天報告已針對傳統半導體供應鏈進行全面的風險評估，基於此評估，該報告提出以下七項建議擴大與保護美國半導體供應鏈：

１. 與產業合作，促進投資、透明度與協作，以解決當前的短缺問題。
2. 全額資助美國生產半導體條款，創造有益產業發展的鼓勵措施，促進美國半導體產業的長期領導地位。
3. 強化美國國內半導體製造生態系統。
4. 支持供應鏈上中小企業與弱勢企業之創新。
5. 建立人才管道。
6. 與盟友與夥伴合作，建立韌性。
7. 保護美國的技術優勢。

(二)、寬能隙電力電子半導體風險評估
寬能隙電力電子產業上游大部分與傳統半導體供應鏈相似，因此主要針對差異性(原料、加工材料與終端產品)進行深入分析：

1. 原料：寬能隙電力電子元件主要由矽、碳、氮與鎵製成。鎵被認為是所有關鍵材料中風險最高的供應鏈，因為美國不生產鎵，因此與其他供應商相比不具任何競爭力。美國使用的鎵都是進口的，中國生產了世界上90%以上的鎵。此外，由於對鋰電池的需求，預計全球對天然石墨的需求將顯著增加，然而美國也沒有國內的石墨生產商，中國也是最大的石墨生產國。碳化矽 ( SiC)的主要原料是石英岩或矽，2020年美國有6家公司生產矽材料，擁有強大的國內與全球市場。

2. 加工材料：該報告評估碳化矽磊晶晶圓、矽基氮化鎵 (GaN on Silicon wafers)、塊材氮化鎵(包含GaN基底與DBC絕緣體基底)等三種加工材料。與其他加工材料相同，美國的寬能隙電力電子產品市場占比微不足道，台積電佔了加工材料大部分的市場。

3. 終端產品：美國終端產品皆未達到主要的市場門檻，台灣與歐洲公司主宰了這個市場。終端產品在風險評估中的環境與人權問題上都獲得了黃色或紅色評分，因為半導體製造所需的高能源、水以及全氟/多氟烷基物質(PFAS)的使用都是相當大的環境問題。

(三)、短期關鍵弱點
儘管以上風險評估識別了許多弱點，但還有其他領域的風險是在風險矩陣中未被提及的，其中包含能源效率 、氣候變遷與勞動力發展。以下針對這些弱點作介紹：

1. 傳統與寬能隙電力電子半導體弱點：主要的弱點之一為能源使用增加與其相關的碳排放。此外，比特幣挖礦風行，使十年內半導體能源使用量增加了十倍。能源局研擬以下五項主要戰略，以提升半導體使用效率，其中包含1) 減少或消除資料傳輸損失；2) 原子級超摻雜(ultra-doping) 的精確控制；3) 神經型態運算硬體；4) 異質整合超高能效的積體電路和與其他結構的結合；5) 發展新的運算方法。
其他弱點包含矽晶圓製造能力與需求的預期差異與缺乏熟練的勞動力。

2. 針對寬能隙電力電子半導體應用於能源領域的弱點：寬能隙電力電子半導體的規模顯著小於矽基半導體市場。在碳化矽部分，與矽相比，材料產生缺陷的比率較高，除成本提高連帶牽動價格外，其晶片的可靠性也受影響。此外，寬能隙電力電子半導體需要先進封裝技術，尤其是異質結構整合的能力，其技術發展會影響此類半導體商業化的可行性。

(四)、長期關鍵弱點
半導體產業最主要的長期關鍵弱點是其使用與製造而造成對環境的影響，故改善其效率為當務之急。此外，隨著先進封裝技術日趨重要，異質整合技術將提高晶片效能與能源效率，但也需要先進的封裝，因此為維持強勁的美國半導體產業，需加強其封裝能力的競爭力。

四、美國的機會與挑戰
（一）、主要機會
整體而言，美國在半導體具有強大地位。為了強化此地位，美國須著重於傳統半導體與寬能隙半導體的下一代技術，翻轉過度依賴國外技術的現況，故以下提出三點建議：1) 投資碳化矽寬能隙電力電子半導體的研發，尤其特別著重於高壓應用的部分，因可用於公共事業規模的再生能源部署；2) 投資傳統半導體的研發、部署與商業化(RDD&CA)， 實現以兩年為周期的效能翻倍之目標；3) 為美國勞動力提供培訓、教育與認證機會，以參與國內半導體產業。

(二)、主要挑戰
實現以上所述機會的主要挑戰包括建立新設施的選址與投資供應鏈的龐大資本需求，另一挑戰是開發新半導體技術所涉及之潛在困難。例如軟體與硬體的協同設計對於開發高能效半導體至關重要，但使用協同設計必須要目標明確，否則將達不到預期效果。

五、結論
美國在半導體產業處於領先地位，但此一地位持續地受到挑戰，尤其是在國內製造與先進封裝領域，因此必須解決這些問題才能確保美國能保持與擴展在半導體領域的領導力。一個重要的機會是投資碳化矽晶片技術，以強化美國在高壓電力電子領域的優勢。此外，傳統與寬能隙電力電子半導體的需求增加刺激此兩類半導體的製造，因此需要培養國內相關領域的勞動力。最後，需要調查目前半導體生產對環境所造成的影響程度，並投入提升半導體效能之研發以降低對環境之影響。