化合物半导体磊晶市场剖析

来源：工商时报

传统硅半导体因自身发展局限，以及摩尔定律的限制，需寻找下一世代半导体材料，而化合物半导体材料的高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合未来半导体发展所需，终端产品趋势将由5G通讯、车用电子与光通讯领域的应用所主导。根据现行化合物半导体元件供应链，元件制程最初步骤由晶圆制造商选择适当特性的基板，以硅、锗与砷化镓等等材料作为半导体元件制程的基板，基板决定后再由磊晶厂商依不同元件的功能需求，于基板上长成数层化合物半导体的磊晶层。磊晶层成长完成后，再透过IDM厂或IC设计、制造与封装等步骤，完成整体元件的制造流程。最终由终端产品厂商组装和配置元件线路，生产手机与汽车等智慧应用产品。

元件产品依循化合物半导体材料特性（如耐高温、抗高电压、抗辐射与可发光）加以开发，将终端市场分为5个领域：电源控制、无线通讯、红外线、太阳能与光通讯。

以电源控制为例，由于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等材料，皆有不错的耐高电压和高频特性，因此适合用于制造功率因素校正、高压功率放大器等高功率元件，是现阶段支撑化合物半导体电源控制领域的重要指标。

在太阳能和光通讯方面，由于砷化镓（GaAs）材料具备较佳的能源转换率，以及适合接收来自红光和红外光等波段讯号，因此适合开发太阳能电池和光侦测器等应用。

近年手机通讯领域蓬勃发展，带动无线模组关键零组件滤波器、开关元件与功率放大器元件需求成长；而砷化镓材料因具有低杂讯、低耗电、高频与高效率等特点，已广泛应用于手机通讯并占有重要地位，带动砷化镓磊晶需求逐年提升。在国防领域，现阶段对红外光的需求（如红外光热影像和高功能夜视镜）以中、长波长红外光（LWIR、MWIR）等军事领域为主，同样带动砷化镓磊晶需求。在生物和医疗领域，由磷化铟（InP）材料作为雷射光源的关键核心，使得相关磊晶需求看涨。整体而言，将化合物半导体多元的材料特性应用于相关元件领域中，可产生许多新的可能性，带动磊晶产业持续发展。

现行化合物半导体商用磊晶制程技术，大致可分成MOCVD（有机金属气相沉积法）和MBE（分子束磊晶技术）。若以成长技术而论，MOCVD的成长条件由气相方法进行，透过氢气或氮气等特定载气引导，使三族和五族气体均匀混合后，再导入反应腔体中，接着透过适当的反应温度（400～800度），让气体裂解并成长于基板上。MBE成长条件则透过元素加热方式，藉由超高真空环境的腔体，将所需磊晶元素加热升华形成分子束，当分子束接触基板后，就可形成所需磊晶结构。

若以量产速率分析MOCVD和MBE磊晶设备的优缺点，MOCVD为气相方式导入反应腔体，其速度较MBE快1.5倍（MBE需时间加热形成分子束）；但以磊晶品质来说，由于MBE可精准控制分子束磊晶成长，因此相较MOCVD有较佳结果。观察现行磊晶厂的发展趋势，虽然MBE所需成本较高、速度也较慢，但较符合国防和光通讯领域等高精密元件产品需求。目前化合物半导体的IDM厂，大多选择以MBE磊晶设备为成长方式，除了IDM厂外，磊晶代工厂英商IQE和IET，亦选用MBE作为厂内磊晶设备。

另一方面，由于MOCVD采用气相成长方式，可快速且大范围进行磊晶成长，虽然其磊晶品质稍不如MBE，但对需要大量、大面积磊晶成长的元件产品有吸引性，例如太阳能电池元件等。目前全球化合物半导体磊晶厂中，主要有6成厂商选择可大范围成长的MOCVD机台，4成则选择高精密性的MBE设备。

根据2018年全球化合物磊晶厂预估营收占比可知，全球化合物半导体磊晶产业营收已超过4.9亿美元，且英商IQE营收占整体比例约44％，与2016年营收维持相同比例，稳居磊晶龙头宝座，排名第二的联亚2018年预估占比依然维持在16％（同2016年）。此外，全新光电营收占比，由2017年17％降至2018年预估的14％；全球MBE磊晶第二大厂IET营收则由2017年7％降至2018年预估的5％ ，衰退原因与中美贸易战和全球手机销售不如预期有关，使得市占率小幅衰退。

针对化合物半导体未来的终端市场需求，依照不同元件特性可分为传输和无线通讯的5G芯片、耐高温和抗高电压的车用芯片，与可接收和回传讯号的光通讯芯片三大领域。藉由5G芯片、车用芯片与光通讯芯片的元件开发，将带动未来磊晶厂的营收和资本支出，确立未来投资方向。

由化合物半导体发展趋势可知，未来元件需求将以高速、高频与高功率等特性，连结5G通讯、车用电子与光通讯领域的应用，突破硅半导体摩尔定律限制。而随着科技发展，化合物半导体的元件制程技术亦趋成熟，传统硅半导体的薄膜、曝光、显影与蚀刻制程步骤，皆已成功转置到化合物半导体上，有助于后续半导体产业持续发展。

关于无线通讯领域的未来发展，5G基地台的布建密度将更甚4G，且基地台内部使用的功率元件，将由宽能带氮化镓功率元件取代DMOS（双重扩散金氧半场效电晶体）元件。在基地台用功率元件目前已集中在IDM厂（如Qorvo、Cree与日本住友电工），且各家代工大厂相继投入，导致市场竞争激烈；此外，中国厂商原先欲藉由并购国外大厂进入氮化镓代工市场，却因国防安全为由受阻，因此现阶段中国厂商在氮化镓基地台的发展受限。

为提升无线通讯品质，5G通讯市场将以较小功率消耗和较佳电子元件等特性为目标而努力，选择砷化镓和磷化铟等化合物半导体材料，作为功率放大器、低噪音放大器等射频元件，整体而言，由于砷化镓射频元件市场多由IDM厂（如Skyworks、Qorvo与Broadcom）把持，因此只有当需求超过IDM厂负荷时，才会将订单发包给其他元件代工厂，对于其他欲投入元件代工的厂商而言则更困难。由于中国手机市场对射频元件的需求增加，加上5G手机渗透率未来将逐渐提升，或许待中国代工厂商的射频制程技术提升后，可趁势打入砷化镓代工供应链，提高射频元件市占率。

在车用芯片部分，由于使用环境要求（需于高温、高频与高功率下操作），并配合汽车电路上的电感和电容等，使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大。然而，透过化合物半导体中，宽能带半导体材料氮化镓和碳化硅等特性，将有助实现缩小车用元件尺寸。

藉由氮化镓和碳化硅取代硅半导体，减少车用元件切换时的耗能已逐渐成为可能。以氮化镓和碳化硅材料作为车用功率元件时，由于宽能带材料特性，可大幅缩减周围电路体积，达到模组轻量化效果，且氮化镓和碳化硅较硅半导体有不错的散热特性，可减少散热系统模组，进一步朝车用轻量化目标迈进。此外，车用芯片对光达（LiDAR）感测器的应用也很重要，自动驾驶汽车或无人车技术中，先进驾驶辅助系统（ADAS）中的光达感测器不可或缺，透过氮化镓和砷化镓磊晶材料满足其元件特性，作为光达感测器所需。

在光通讯芯片领域方面，为了解决金属导线传递讯号的限制和瓶颈，以雷射光在光纤中作为传递源的概念应运而生，突破原先电子透过金属缆线容易发生电阻和电容时间延迟现象，且藉由雷射光快速传递和讯号不易衰退特性，使得硅光子技术逐渐受到重视。

由于光通讯芯片对光收发模组的需要，光侦测与雷射侦测器等模组需求上升，带动砷化镓与磷化铟磊晶市场走扬，此外，近年手机搭配3D感测应用有明显成长趋势，带动VCSEL（垂直腔面发射激光器）元件需求增加，砷化镓磊晶也逐步升温，未来3D感测用的光通讯芯片，其应用范围除了手机外，亦将扩充至眼球追踪技术、安防领域、虚拟实境与近接辨识等领域。

2018年手机销售量相较2017年略为衰退，2019年手机销售量也将趋于保守，但近年因苹果iPhone带动的3D感测技术受到重视，并加速非苹阵营导入3D感测，促使VCSEL需求增温，光通讯领域的元件需求有增加趋势，2018年部分磊晶厂资本支出因此而成长。

2019年手机销售量可能下滑和5G手机渗透率偏低，将影响功率放大器、低噪音放大器等手机元件市场与磊晶厂营收表现。现阶段5G通讯还有待电信业者的基地台建置和市场开发，2019年5G成长有限，将连带影响磊晶厂部分营收。

车用芯片由于使用环境较为严苛，并需承受高电压和高温等条件，多选择氮化镓和碳化硅等化合物半导体，而电动车市场未来将持续小幅成长，带动车用功率半导体元件需求，进而推升氮化镓和碳化硅磊晶营收成长。此外，先进驾驶辅助系统的光达元件需求逐年提升，促使氮化镓和砷化镓磊晶需求增温。整体而言，未来车用化合物芯片的需求将逐步增加，成为磊晶市场持续成长的主要动能之一。