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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。


应用


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。


现况


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。


发展


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。


展望


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。


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