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傳統矽半導體因自身發展侷限,以及摩爾定律的限制,需尋找下一世代半導體材料,而化合物半導體材料的高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性,恰好符合未來半導體發展所需,終端產品趨勢將由5G通訊、車用電子與光通訊領域的應用所主導。 根據現行化合物半導體元件供應鏈,元件製程最初步驟由晶圓製造商選擇適當特性的基板,以矽、鍺與砷化鎵等等材料作為半導體元件製程的基板,基板決定後再由磊晶廠商依不同元件的功能需求,於基板上長成數層化合物半導體的磊晶層。磊晶層成長完成後,再透過IDM廠或IC設計、製造與封裝等步驟,完成整體元件的製造流程。最終由終端產品廠商組裝和配置元件線路,生產手機與汽車等智慧應用產品。

應用

元件產品依循化合物半導體材料特性(如耐高溫、抗高電壓、抗輻射與可發光)加以開發,將終端市場分為5個領域:電源控制、無線通訊、紅外線、太陽能與光通訊。

以電源控制為例,由於氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等材料,皆有不錯的耐高電壓和高頻特性,因此適合用於製造功率因素校正、高壓功率放大器等高功率元件,是現階段支撐化合物半導體電源控制領域的重要指標。

在太陽能和光通訊方面,由於砷化鎵(GaAs)材料具備較佳的能源轉換率,以及適合接收來自紅光和紅外光等波段訊號,因此適合開發太陽能電池和光偵測器等應用。

近年手機通訊領域蓬勃發展,帶動無線模組關鍵零組件濾波器、開關元件與功率放大器元件需求成長;而砷化鎵材料因具有低雜訊、低耗電、高頻與高效率等特點,已廣泛應用於手機通訊並占有重要地位,帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升。在國防領域,現階段對紅外光的需求(如紅外光熱影像和高功能夜視鏡)以中、長波長紅外光(LWIR、MWIR)等軍事領域為主,同樣帶動砷化鎵磊晶需求。在生物和醫療領域,由磷化銦(InP)材料作為雷射光源的關鍵核心,使得相關磊晶需求看漲。整體而言,將化合物半導體多元的材料特性應用於相關元件領域中,可產生許多新的可能性,帶動磊晶產業持續發展。

現況

現行化合物半導體商用磊晶製程技術,大致可分成MOCVD(有機金屬氣相沉積法)和MBE(分子束磊晶技術)。若以成長技術而論,MOCVD的成長條件由氣相方法進行,透過氫氣或氮氣等特定載氣引導,使三族和五族氣體均勻混合後,再導入反應腔體中,接著透過適當的反應溫度(400~800度),讓氣體裂解並成長於基板上。MBE成長條件則透過元素加熱方式,藉由超高真空環境的腔體,將所需磊晶元素加熱昇華形成分子束,當分子束接觸基板後,就可形成所需磊晶結構。

若以量產速率分析MOCVD和MBE磊晶設備的優缺點,MOCVD為氣相方式導入反應腔體,其速度較MBE快1.5倍(MBE需時間加熱形成分子束);但以磊晶品質來說,由於MBE可精準控制分子束磊晶成長,因此相較MOCVD有較佳結果。觀察現行磊晶廠的發展趨勢,雖然MBE所需成本較高、速度也較慢,但較符合國防和光通訊領域等高精密元件產品需求。目前化合物半導體的IDM廠,大多選擇以MBE磊晶設備為成長方式,除了IDM廠外,磊晶代工廠英商IQE和IET,亦選用MBE作為廠內磊晶設備。

另一方面,由於MOCVD採用氣相成長方式,可快速且大範圍進行磊晶成長,雖然其磊晶品質稍不如MBE,但對需要大量、大面積磊晶成長的元件產品有吸引性,例如太陽能電池元件等。目前全球化合物半導體磊晶廠中,主要有6成廠商選擇可大範圍成長的MOCVD機台,4成則選擇高精密性的MBE設備。

根據2018年全球化合物磊晶廠預估營收占比可知,全球化合物半導體磊晶產業營收已超過4.9億美元,且英商IQE營收占整體比例約44%,與2016年營收維持相同比例,穩居磊晶龍頭寶座,排名第二的聯亞2018年預估占比依然維持在16%(同2016年)。此外,全新光電營收占比,由2017年17%降至2018年預估的14%;全球MBE磊晶第二大廠IET營收則由2017年7%降至2018年預估的5%,衰退原因與中美貿易戰和全球手機銷售不如預期有關,使得市占率小幅衰退。

發展

針對化合物半導體未來的終端市場需求,依照不同元件特性可分為傳輸和無線通訊的5G晶片、耐高溫和抗高電壓的車用晶片,與可接收和回傳訊號的光通訊晶片三大領域。藉由5G晶片、車用晶片與光通訊晶片的元件開發,將帶動未來磊晶廠的營收和資本支出,確立未來投資方向。

由化合物半導體發展趨勢可知,未來元件需求將以高速、高頻與高功率等特性,連結5G通訊、車用電子與光通訊領域的應用,突破矽半導體摩爾定律限制。而隨著科技發展,化合物半導體的元件製程技術亦趨成熟,傳統矽半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻製程步驟,皆已成功轉置到化合物半導體上,有助於後續半導體產業持續發展。

關於無線通訊領域的未來發展,5G基地台的佈建密度將更甚4G,且基地台內部使用的功率元件,將由寬能帶氮化鎵功率元件取代DMOS(雙重擴散金氧半場效電晶體)元件。在基地台用功率元件目前已集中在IDM廠(如Qorvo、Cree與日本住友電工),且各家代工大廠相繼投入,導致市場競爭激烈;此外,中國廠商原先欲藉由併購國外大廠進入氮化鎵代工市場,卻因國防安全為由受阻,因此現階段中國廠商在氮化鎵基地台的發展受限。

為提升無線通訊品質,5G通訊市場將以較小功率消耗和較佳電子元件等特性為目標而努力,選擇砷化鎵和磷化銦等化合物半導體材料,作為功率放大器、低噪音放大器等射頻元件,整體而言,由於砷化鎵射頻元件市場多由IDM廠(如Skyworks、Qorvo與Broadcom)把持,因此只有當需求超過IDM廠負荷時,才會將訂單發包給其他元件代工廠,對於其他欲投入元件代工的廠商而言則更困難。由於中國手機市場對射頻元件的需求增加,加上5G手機滲透率未來將逐漸提升,或許待中國代工廠商的射頻製程技術提升後,可趁勢打入砷化鎵代工供應鏈,提高射頻元件市占率。

在車用晶片部分,由於使用環境要求(需於高溫、高頻與高功率下操作),並配合汽車電路上的電感和電容等,使得車用元件體積較普通元件尺寸占比大。然而,透過化合物半導體中,寬能帶半導體材料氮化鎵和碳化矽等特性,將有助實現縮小車用元件尺寸。

藉由氮化鎵和碳化矽取代矽半導體,減少車用元件切換時的耗能已逐漸成為可能。以氮化鎵和碳化矽材料作為車用功率元件時,由於寬能帶材料特性,可大幅縮減周圍電路體積,達到模組輕量化效果,且氮化鎵和碳化矽較矽半導體有不錯的散熱特性,可減少散熱系統模組,進一步朝車用輕量化目標邁進。此外,車用晶片對光達(LiDAR)感測器的應用也很重要,自動駕駛汽車或無人車技術中,先進駕駛輔助系統(ADAS)中的光達感測器不可或缺,透過氮化鎵和砷化鎵磊晶材料滿足其元件特性,作為光達感測器所需。

在光通訊晶片領域方面,為了解決金屬導線傳遞訊號的限制和瓶頸,以雷射光在光纖中作為傳遞源的概念應運而生,突破原先電子透過金屬纜線容易發生電阻和電容時間延遲現象,且藉由雷射光快速傳遞和訊號不易衰退特性,使得矽光子技術逐漸受到重視。

由於光通訊晶片對光收發模組的需要,光偵測與雷射偵測器等模組需求上升,帶動砷化鎵與磷化銦磊晶市場走揚,此外,近年手機搭配3D感測應用有明顯成長趨勢,帶動VCSEL(垂直腔面發射激光器)元件需求增加,砷化鎵磊晶也逐步升溫,未來3D感測用的光通訊晶片,其應用範圍除了手機外,亦將擴充至眼球追蹤技術、安防領域、虛擬實境與近接辨識等領域。

展望

2018年手機銷售量相較2017年略為衰退,2019年手機銷售量也將趨於保守,但近年因蘋果iPhone帶動的3D感測技術受到重視,並加速非蘋陣營導入3D感測,促使VCSEL需求增溫,光通訊領域的元件需求有增加趨勢,2018年部分磊晶廠資本支出因此而成長。

2019年手機銷售量可能下滑和5G手機滲透率偏低,將影響功率放大器、低噪音放大器等手機元件市場與磊晶廠營收表現。現階段5G通訊還有待電信業者的基地台建置和市場開發,2019年5G成長有限,將連帶影響磊晶廠部分營收。

車用晶片由於使用環境較為嚴苛,並需承受高電壓和高溫等條件,多選擇氮化鎵和碳化矽等化合物半導體,而電動車市場未來將持續小幅成長,帶動車用功率半導體元件需求,進而推升氮化鎵和碳化矽磊晶營收成長。此外,先進駕駛輔助系統的光達元件需求逐年提升,促使氮化鎵和砷化鎵磊晶需求增溫。整體而言,未來車用化合物晶片的需求將逐步增加,成為磊晶市場持續成長的主要動能之一。

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