化合物半導體磊晶市場剖析
2019-03-03 11:08:42 中時電子報
傳統硅半導體因自身發展局限，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、直接能隙與寬禁帶等特性，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，元件制程最初步驟由晶圓制造商選擇適當特性的基板，以硅、鍺與砷化鎵等等材料作為半導體元件制程的基板，基板決定后再由磊晶廠商依不同元件的功能需求，于基板上長成數層化合物半導體的磊晶層。磊晶層成長完成后，再透過IDM廠或IC設計、制造與封裝等步驟，完成整體元件的制造流程。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能應用產品。
應 用
元件產品依照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，由于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等材料，皆有不錯的耐高電壓和高頻特性，因此適合用于制造功率因素校正、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，由于砷化鎵（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，已廣泛應用于手機通訊并占有重要地位，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于相關元件領域中，可產生許多新的可能性，帶動磊晶產業持續發展。
現 狀
現行化合物半導體商用磊晶制程技術，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后，再導入反應腔體中，接著透過適當的反應溫度（400～800度），讓氣體裂解并成長于基板上。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，當分子束接觸基板后，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，由于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，由于MOCVD採用氣相成長方式，可快速且大范圍進行磊晶成長，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成廠商選擇可大范圍成長的MOCVD機臺，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芯片、耐高溫和抗高電壓的車用芯片，與可接收和回傳訊號的光通訊芯片三大領域。藉由5G芯片、車用芯片與光通訊芯片的元件開發，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，突破硅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制程技術亦趨成熟，傳統硅半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻制程步驟，皆已成功轉置到化合物半導體上，有助于后續半導體產業持續發展。
關于無線通訊領域的未來發展，5G基地臺的布建密度將更甚4G，且基地臺內部使用的功率元件，將由寬禁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。在基地臺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并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臺的發展受限。
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，由于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，對于其他欲投入元件代工的廠商而言則更困難。由于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制程技術提升后，可趁勢打入砷化鎵代工供應鏈，提高射頻元件市占率。
在車用芯片部分，由于使用環境要求（需于高溫、高頻與高功率下操作），并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，寬禁帶半導體材料氮化鎵和碳化硅等特性，將有助實現縮小車用元件尺寸。
藉由氮化鎵和碳化硅取代硅半導體，減少車用元件切換時的耗能已逐漸成為可能。以氮化鎵和碳化硅材料作為車用功率元件時，由于寬禁帶材料特性，可大幅縮減周圍電路體積，達到模組輕量化效果，且氮化鎵和碳化硅較硅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，車用芯片對光達（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。
在光通訊芯片領域方面，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，使得硅光子技術逐漸受到重視。
由于光通訊芯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感測用的光通訊芯片，其應用范圍除了手機外，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于保守，但近年因蘋果iPhone帶動的3D感測技術受到重視，并加速非蘋陣營導入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?，F階段5G通訊還有待電信業者的基地臺建置和市場開發，2019年5G成長有限，將連帶影響磊晶廠部分營收。
車用芯片由于使用環境較為嚴苛，并需承受高電壓和高溫等條件，多選擇氮化鎵和碳化硅等化合物半導體，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硅磊晶營收成長。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，未來車用化合物芯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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