傳統矽半導體因自身發(fā)展局限和摩爾定律限制,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(néng)隙與寬能(néng)帶等特性,恰好(hǎo)符合未來半導體發(fā)展所需,終端産品趨勢將(jiāng)由5G通訊、車用電子與光通訊領域等應用主導。
化合物半導體市場分析
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适當特性的基闆(Substrate),以矽、鍺與砷化镓等材料作爲半導體元件制程的基闆,基闆決定後(hòu)再由磊晶廠依不同元件的功能(néng)需求,于基闆上長(cháng)成(chéng)數層化合物半導體的磊晶層,磊晶層成(chéng)長(cháng)完成(chéng)後(hòu),再透過(guò)IDM廠或IC設計、制造與封裝等步驟,完成(chéng)整體元件的制造流程,最終由終端産品廠商組裝和配置元件線路,生産手機與汽車等智慧應用産品。
化合物半導體于終端市場應用
元件産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(fā)光)加以開(kāi)發(fā),將(jiāng)終端市場分爲5個領域:電源控制(Power Control)、無線通訊(Wireless)、紅外線(Infrared)、太陽能(néng)(Solar)與光通訊(Photonics)。
以電源控制爲例,由于氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)等材料有不錯的耐高電壓和高頻特性,因此适合用于制造功率因素校正(Power Factor Correction,PFC)和高壓功率放大器(High Voltage Power Amplifier,HVPA)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标。
在太陽能(néng)和光通訊方面(miàn),由于砷化镓(GaAs)材料具備較佳的能(néng)源轉換率,以及适合接收來自紅光和紅外光等波段訊号,因此适合開(kāi)發(fā)太陽能(néng)電池(Photovoltaics)和光偵測器(Photonic Detection)等應用場域。
近年手機通訊領域蓬勃發(fā)展,帶動無線模塊關鍵零組件濾波器(Filter)、開(kāi)關元件(Switch)與功率放大器(Power Amplifier)等元件需求成(chéng)長(cháng);而砷化镓材料因具有低噪聲、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,帶動砷化镓磊晶需求逐年提升。
在國(guó)防領域,現階段對(duì)紅外光的需求(如紅外光熱影像和高功能(néng)夜視鏡)以中、長(cháng)波長(cháng)紅外光(LWIR、MWIR)等軍事(shì)領域爲主,同樣帶動砷化镓磊晶需求。在生物和醫療領域,由磷化铟(InP)材料作爲雷射光源的關鍵核心,使得相關磊晶需求看漲。整體而言,將(jiāng)化合物半導體多元的材料特性應用于相關元件領域中,可産生許多新的可能(néng)性,帶動磊晶産業持續發(fā)展。
化合物半導體磊晶廠現況
現行化合物半導體商用磊晶制程技術,大緻可分成(chéng)MOCVD(有機金屬氣相沉積法)和MBE(分子束磊晶技術),若以成(chéng)長(cháng)技術而論,MOCVD成(chéng)長(cháng)條件由氣相方法進(jìn)行,透過(guò)氫氣(H2)或氮氣(N2)等特定載氣(Carrier Gas)引導,使三族(III A)和五族(V A)氣體均勻混合後(hòu),再導入反應腔體中,接着透過(guò)适當的反應溫度(400~800度),讓氣體裂解并成(chéng)長(cháng)于基闆上。MBE成(chéng)長(cháng)條件則透過(guò)元素加熱方式,借由超高真空環境的腔體,將(jiāng)所需磊晶元素加熱升華形成(chéng)分子束,當分子束接觸基闆後(hòu),就可形成(chéng)所需磊晶結構。
若以量産速率分析MOCVD和MBE磊晶設備的優缺點,MOCVD爲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(chéng)分子束);但以磊晶質量來說,由于MBE可精準控制分子束磊晶成(chéng)長(cháng),因此相較MOCVD有較佳結果。
觀察現行磊晶廠發(fā)展趨勢,雖MBE所需成(chéng)本較高且速度較慢,但符合國(guó)防和光通訊領域等高精密元件産品需求。目前化合物半導體的IDM廠,大多選擇以MBE磊晶設備爲成(chéng)長(cháng)方式,除了IDM廠外,磊晶代工廠英商IQE和IET,亦選用MBE作爲廠内磊晶設備。
另一方面(miàn),由于MOCVD采用氣相成(chéng)長(cháng)方式,可快速且大範圍進(jìn)行磊晶成(chéng)長(cháng),雖然其磊晶質量稍不如MBE,但對(duì)需要大量、大面(miàn)積磊晶成(chéng)長(cháng)的元件産品有吸引性,例如太陽能(néng)電池元件等。目前全球化合物半導體磊晶廠中,主要有6成(chéng)廠商選擇可大範圍成(chéng)長(cháng)的MOCVD機台;另外4成(chéng)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産業營收已超過(guò)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(英特磊)營收,則由2017年7%降至2018年預估的5%,其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。
化合物半導體磊晶廠未來發(fā)展
針對(duì)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爲傳輸和無線通訊的5G芯片、耐高溫與抗高電壓的車用芯片,以及可接收和回傳訊号的光通訊芯片三大領域。借由5G芯片、車用芯片與光通訊芯片的元件開(kāi)發(fā),將(jiāng)帶動未來磊晶廠營收和資本支出,确立未來投資方向(xiàng)。
終端市場未來走向(xiàng)
由化合物半導體發(fā)展趨勢可知,未來元件需求將(jiāng)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。
▲未來磊晶廠終端産品趨勢;Source:拓墣産業研究院
矽半導體元件因受限于電子遷移率(Electron Mobility)、發(fā)光效率與環境溫度等限制,難以滿足元件特性需求,因此當化合物半導體出現,其高電子遷移率、直接能(néng)隙與寬能(néng)帶等特性,爲元件發(fā)展的未來性提供新契機。随着科技發(fā)展,化合物半導體的元件制程技術亦趨成(chéng)熟,傳統矽半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻制程步驟,皆已成(chéng)功轉置到化合物半導體上,有助于後(hòu)續半導體産業持續發(fā)展。
關于無線通訊領域的未來發(fā)展,現行廠商已逐漸由原先4G設備更新至5G基礎建設,5G基地台的布建密度將(jiāng)更甚4G,且基地台内部使用的功率元件,將(jiāng)由寬能(néng)帶氮化镓功率元件取代DMOS(雙重擴散金氧半場效晶體管)元件。在基地台建置部分,目前已集中在IDM廠(如Qorvo、Cree與日本住友電工),且各代工大廠相繼投入,導緻市場競争激烈;此外,中國(guó)廠商原先欲借由并購國(guó)外大廠進(jìn)入氮化镓代工市場,卻因國(guó)防安全爲由受阻,因此現階段中國(guó)廠商對(duì)氮化镓基地台的發(fā)展受限。
爲提升無線通訊質量,5G通訊市場將(jiāng)以較小功率消耗和較佳電子元件等特性爲目标而努力,因此選擇砷化镓和磷化铟等化合物半導體材料,作爲PA(功率放大器)和LNA(低噪音放大器)等射頻元件(Radio Frequency,RF)。
整體而言,由于砷化镓射頻元件市場多由IDM廠(如Skyworks、Qorvo與Broadcom)把持,因此隻有當需求超過(guò)IDM廠負荷時,才會將(jiāng)訂單發(fā)包給其他元件代工廠,對(duì)其他欲投入元件代工的廠商而言則更困難。由于中國(guó)手機市場對(duì)射頻元件的國(guó)内需求增加,且預期5G手機滲透率將(jiāng)提升,或許中國(guó)代工廠商的射頻制程技術提升後(hòu),可趁勢打入砷化镓代工供應鏈,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,透過(guò)化合物半導體中,寬能(néng)帶半導體材料氮化镓和碳化矽等特性,將(jiāng)有助實現縮小車用元件尺寸。
借由氮化镓和碳化矽取代矽半導體,減少車用元件切換時的耗能(néng)已逐漸成(chéng)爲可能(néng)。以氮化镓和碳化矽材料作爲車用功率元件時,由于寬能(néng)帶材料特性,可大幅縮減周圍電路體積,達到模塊輕量化效果,且氮化镓和碳化矽較矽半導體有不錯的散熱特性,可減少散熱系統模塊,進(jìn)一步朝車用輕量化目标邁進(jìn)。
此外,車用芯片對(duì)光達(LiDAR)傳感器的應用也很重要,爲了實現自動駕駛汽車或無人車技術,先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)中的光達傳感器不可或缺,透過(guò)氮化镓和砷化镓磊晶材料滿足其元件特性,作爲光達傳感器所需。
在光通訊芯片領域方面(miàn),爲了解決金屬導線傳遞訊号的限制和瓶頸,因而開(kāi)發(fā)以雷射光在光纖中作爲傳遞源的概念,突破原先電子透過(guò)金屬纜線下容易發(fā)生電阻和電容時間延遲(RC Delay)現象,且借由雷射光快速傳遞和訊号不易衰退特性,使得矽光子技術(Silicon Photonics)逐漸受到重視。
由于光通訊芯片對(duì)光收發(fā)模塊的需要,PD(光偵測器)與LD(雷射偵測器)等模塊需求上升,帶動砷化镓與磷化铟磊晶市場。此外,近年手機搭配3D感測應用有明顯成(chéng)長(cháng)趨勢,帶動VCSEL(垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器)元件需求增加,砷化镓磊晶也逐步升溫,未來3D感測用的光通訊芯片,其應用範圍除了手機,亦將(jiāng)擴充至眼球追蹤技術、安防領域(Security)、虛拟實境(VR)與近接識别等領域。
磊晶廠未來展望
雖然2018年手機銷售量相較2017年略爲衰退,且2019年手機銷售量將(jiāng)趨于保守,但近年因Apple手機的3D感測技術受到重視,帶動非Apple陣營加速導入3D感測市場,促使VCSEL需求增溫,對(duì)光通訊領域的元件需求有增加趨勢,帶動2018年部分磊晶廠資本支出成(chéng)長(cháng)。
2019年手機銷售量可能(néng)下滑和5G手機預估滲透率偏低等情形,將(jiāng)影響手機元件市場(如PA和LNA)與磊晶廠營收表現,現階段5G通訊領域還(hái)有待電信營運商的基地台建置和開(kāi)發(fā)市場,2019年營收成(chéng)長(cháng)有限,將(jiāng)連帶影響磊晶廠部分營收。
車用芯片由于使用環境較爲嚴苛與需承受高電壓和高溫等條件,多選擇氮化镓和碳化矽等化合物半導體;而電動車市場未來將(jiāng)持續小幅成(chéng)長(cháng),帶動車用功率半導體元件需求,進(jìn)而推升氮化镓和碳化矽磊晶營收成(chéng)長(cháng)。
此外,先進(jìn)駕駛輔助系統的光達元件需求逐年提升,促使氮化镓和砷化镓磊晶需求增溫,整體而言,未來車用化合物芯片的需求將(jiāng)逐步增加,成(chéng)爲磊晶市場持續成(chéng)長(cháng)的主要動能(néng)之一。