傳統矽半導體因自身發(fā)展侷限和摩爾定律限制,需尋找下一世代半導體材料,化合物半導體材料是新一代半導體發(fā)展的重要關鍵嗎?
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。
手機通訊領域帶動砷化镓磊晶需求逐年提升
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、鍺與砷化镓等材料做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,待成(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。
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)。
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。
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。藉由 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)。
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。
(Source:拓墣産業研究院,2019.3)
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,有助于後(hòu)續半導體産業持續發(fā)展。
在無線通訊領域,現行廠商逐漸由原先 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。
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。
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。
藉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,爲了實現自駕車或無人車技術,先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)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元件特性,成(chéng)爲光達傳感器所需。
光通訊芯片方面(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,且藉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。
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,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)與近接辨識等領域。