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新一代半導體發展的重要關鍵

  傳統硅半導體因自身發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、直接能隙與寬能帶等特性,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等應用主導。

  手機通訊領域帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升

  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適當特性的基板(Substrate),以硅、鍺與砷化鎵等材料做為半導體元件制程的基板,基板決定后再由磊晶廠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,待成長完成后,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慧應用產品。

  元件產品依循化合物半導體材料特性(如耐高溫、抗高電壓、抗輻射與可發光)加以開發,將終端市場分為 5 個領域:電源控制(Power Control)、無線通訊(Wireless)、紅外線(Infrared)、太陽能(Solar)與光通訊(Photonics)。

  近年手機通訊領域蓬勃發展,帶動無線模塊關鍵零組件濾波器(Filter)、開關元件(Switch)與功率放大器(Power Amplifier)等元件需求成長;而砷化鎵材料因具有低噪聲、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,帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升。

  化合物半導體磊晶廠未來發展

  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、耐高溫與抗高電壓的車用芯片,以及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。

化合物半導體材料或成新一代半導體發展的重要關鍵

  硅半導體元件因受限于電子遷移率(Electron Mobility)、發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、直接能隙與寬能帶等特性,為元件發展的未來性提供新契機。

  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,有助于后續半導體產業持續發展。

  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,將由寬能帶氮化鎵功率元件取代 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國內需求增加,且預期 5G 手機滲透率將提升,或許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。

  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,透過化合物半導體中,寬能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,由于寬能帶材料特性,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,可減少散熱系統模塊,進一步朝車用輕量化目標邁進。

  此外,車用芯片對光達(LiDAR)傳感器的應用也很重要,為了實現自駕車或無人車技術,先進駕駛輔助系統(ADAS)的光達傳感器不可或缺,透過氮化鎵和砷化鎵磊晶材料滿足元件特性,成為光達傳感器所需。

  光通訊芯片方面,為了解決金屬導線傳遞訊號的限制和瓶頸,因而開發以雷射光在光纖中為傳遞源的概念,突破原先電子透過金屬纜線下容易發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號不易衰退特性,使得硅光子技術(Silicon Photonics)逐漸受到重視。

  由于光通訊芯片對光收發模塊的需要,PD(光偵測器)與 LD(雷射偵測器)等模塊需求上升,帶動砷化鎵與磷化銦磊晶市場。

  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,應用范圍除了手機,亦將擴充至眼球追蹤技術、安防領域(Security)、虛擬實境(VR)與近接辨識等領域。

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