發布日期：2022-10-18 點擊率：58
“在VCSEL感測應用現身，加上GaN大舉進駐電源管理之后，化合物半導體開始展現出不容小看的商業應用潛力。”
化合物半導體泛指各種不以硅為基礎的半導體材料，通常可分成三五族半導體與二六族半導體。三五族化合物是由三族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等等組成。由于是化合物，所以組成方式非常多種，有二元的氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)；三元的銦鎵砷(InGaAs)、磷化銦鎵( InGaP)；甚至四元的InAlGaAs或InGaAsP等。二六族半導體則是由二族的元素鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)和六族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)形成的化合物，是一些重要的光電材料。
在蘋果(Apple)于智能手機上導入結構光人臉辨識，引爆VCSEL應用話題，加上氮化鎵逐漸打開電源管理這個市場規模龐大的應用之后，化合物半導體開始受到更多探討，同時也吸引其他領域的業者開始介入布局。
電源管理應用帶動晶圓尺寸成長
聯穎光電技術長暨SEMI Taiwan化合物半導體委員會副主席林嘉孚指出，氮化鎵材料開始切入電源管理應用，是改變化合物半導體制造產業風貌的一個重大事件。電源管理是一個非常龐大的市場，幾乎所有電子設備都需要電源管理。
因此隨著使用硅基氮化鎵(GaN on Si)的電源場效電晶體(Power FET)不斷發展，能耐受的電壓越來越高(目前600~700V的元件已有商用潛力，實驗室里則已可做到1,000V)，未來硅基氮化鎵應用只會越來越普及。
而隨著應用市場越來越廣闊，氮化鎵磊晶(Epitaxy)晶圓尺寸一定會逐漸從目前主流的6吋往8吋發展，這樣才能驅動成本下降，滿足市場需求。而此趨勢也會吸引更多半導體設備大廠開始布局相關設備。目前磊晶制程所使用的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)機臺，最大供應商是德國Aixtron，但全球半導體設備龍頭應用材料(Applied Materials)也已經對這個市場展現高度興趣。
對化合物半導體業者來說，更多設備大廠投入是件好事，因為以往化合物半導體設備業就跟化合物半導體產業鏈的其他環節一樣，都呈現小而美的格局，大廠有更多資源可以開發更先進的磊晶設備，會讓磊晶廠有能力發展出更先進的磊晶制程技術。機臺設備的能力跟磊晶技術的進展，是相輔相成的。
硅基氮化鎵進軍射頻劍指5G基站
除了應用在功率元件之外，GaN on Si還可以應用在射頻(RF)通訊上，目前相關技術進展最快的業者，就屬事業布局橫跨光通訊與RF兩端的MACOM。近日MACOM才與意法半導體(ST)達成合作協議，2019年ST工廠的6吋(150mm)硅基氮化鎵的產能將有擴張計畫，而8吋(200mm)的硅基氮化鎵則會依需求擴產，以支援全球5G電信網路建設。
隨著全球推出5G網路并轉向大規模MIMO(M-MIMO)天線配置，射頻功率產品需求預計將會大幅提升。具體來說，MACOM預估功率放大器需求量將會有32倍至64倍的成長，相對地，5G基礎建設的投資在5年內將預計成長超過3倍，因此放大器成本的單價估計會降至十分之一至二十分之一。
MACOM總裁暨執行長John Croteau表示，主要基站OEM廠了解，為滿足5G天線部署時成本、頻譜和效能目標，需仰賴寬能隙氮化鎵元件的性能，以及能促進升級轉型的成本結構和制造規模。該公司認為，透過與意法半導體合作，將使MACOM能滿足基站廠商的全部要求－產品性能、成本優勢和高產量供應鏈。MACOM與ST這個初期階段的聯合產能投資，可以使雙方有更多產能服務在全球高達85%的5G網路建設市場。
ST汽車與離散產品部總裁Marco Monti表示，ST已經在碳化硅技術領域打下堅實的基礎，現在正在推進RF硅基氮化鎵的技術，以支援OEM廠建立新一代高性能5G網路。碳化硅是汽車功率轉換等電源應用的理想選擇，而硅基氮化鎵能夠提供滿足5G所需的RF性能、產能和商用成本結構。
事實上，射頻跟光電過去一直是化合物半導體最主要的應用領域，以氮化鎵材料來說，在開拓出PowerFET應用這個新市場之前，最重要的應用市場就是高功率射頻領域，例如軍用的高功率雷達，就會用到碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC)元件。跟前者相比，硅基氮化鎵適合運用在中低功率射頻應用，通訊基站就是其典型應用之一。
在5G網路布建將采用更多微型基站情況下，相關元件需求也令人期待。5G微型基站的大小可做到和Wi-Fi存取點設備相仿，發射功率也相近，因此若電信商要以微型基站組成網路，采購規模必然相當可觀。
不過，林嘉孚分析，以技術特性來看，硅基氮化鎵PA恐怕難以將應用拓展到行動終端市場，因為硅基氮化鎵的效率雖好，但啟動電壓卻比異質雙極性接面電晶體(HBT)跟假晶高速電子移動電晶體(pHEMT)明顯高出一截，不適合以電池供電的行動裝置使用。但有些研究團隊正在發展低電壓的GaN on Si，只是目前尚不成熟。
如果是行動裝置所使用的PA，基于砷化鎵的HBT跟pHEMT還是比較理想的選擇，因為HBT跟pHEMT具備低啟動電壓的優勢。但HBT很難做到毫米波頻段，因此，在5G通訊時代，低于6GHz頻段的5G行動終端，應該還是會采用HBT；使用28GHz以上的毫米波5G行動終端，則可考慮使用pHEMT。
至于CMOS PA，在未來一段時間內，可能都會停留在概念驗證或技術展示的階段，因為CMOS PA的效率太低，除了會影響行動裝置的電池續航力，封裝也是個大考驗。眾所皆知，在毫米波頻段，天線、PA，甚至連數據機(Modem)芯片都將會透過異質封裝技術整合在同一個封裝模組內。若PA效率太低，封裝散熱的問題會相當棘手。
技術門檻高臺廠領先優勢明顯
中國政府大力鼓吹半導體產業自主，并投入大量資金來扶植相關業者，是近幾年來屢屢在全球半導體業內引發討論的話題。同樣的情況其實也出現在化合物半導體領域，只是據業內人士指出，中國政府對化合物半導體的投資高度聚焦在國防跟軍用領域，因此不像DRAM或晶圓代工，容易引發廣泛關注。
但即便中國在本土化合物半導體產業鏈同樣砸下重金，中國的化合物半導體產業進展仍相當有限，一方面這跟技術管制有關，另一方面也跟長晶、磊晶技術十分復雜，需要長時間累積Know-how，光靠資金投入無法取得立竿見影的效果有關。
除了少數例外，如發光二極體(LED)之外，一般來說，化合物半導體的磊晶技術跟設備受到高度管制，且有大量Know-how累積在磊晶廠手上。同款設備，使用不同配方跟制程參數，產出的產品特性會有很大不同。因此，中國很難復制在LED產業的成功經驗，快速打造自主的化合物半導體供應鏈。相較下，臺灣化合物半導體制造發展較早，且設備、技術轉移方面，也較不會遇到困難。
有業界人士估計，臺灣化合物半導體制造商技術大概還領先中國同業至少三到五年，且差距沒有因為中國政府大力投資扶植而有所縮短。這意味著臺廠在化合物半導體領域還有很明顯的領先優勢，不用擔心中國同業殺價競爭。但也因為如此，臺灣的化合物半導體廠商通常十分低調，不僅不太愿意公開談論自家的技術或策略發展方向，而且資訊保防工作做得相當嚴密。每家業者都在鴨子劃水，盡最大努力保護自己的領先優勢。
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