“在VCSEL感測應(yīng)用現(xiàn)身，加上GaN大舉進駐電源管理之后，化合物半導(dǎo)體開始展現(xiàn)出不容小看的商業(yè)應(yīng)用潛力。”

化合物半導(dǎo)體泛指各種不以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，通常可分成三五族半導(dǎo)體與二六族半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)入結(jié)構(gòu)光人臉辨識，引爆VCSEL應(yīng)用話題，加上氮化鎵逐漸打開電源管理這個市場規(guī)模龐大的應(yīng)用之后，化合物半導(dǎo)體開始受到更多探討，同時也吸引其他領(lǐng)域的業(yè)者開始介入布局。


電源管理應(yīng)用帶動晶圓尺寸成長

聯(lián)穎光電技術(shù)長暨SEMI Taiwan化合物半導(dǎo)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(yīng)用，是改變化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)風(fēng)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(shè)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(fā)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(yīng)用只會越來越普及。

而隨著應(yīng)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(fā)展，這樣才能驅(qū)動成本下降，滿足市場需求。而此趨勢也會吸引更多半導(dǎo)體設(shè)備大廠開始布局相關(guān)設(shè)備。目前磊晶制程所使用的有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)機臺，最大供應(yīng)商是德國Aixtron，但全球半導(dǎo)體設(shè)備龍頭應(yīng)用材料(Applied Materials)也已經(jīng)對這個市場展現(xiàn)高度興趣。

對化合物半導(dǎo)體業(yè)者來說，更多設(shè)備大廠投入是件好事，因為以往化合物半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)就跟化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的其他環(huán)節(jié)一樣，都呈現(xiàn)小而美的格局，大廠有更多資源可以開發(fā)更先進的磊晶設(shè)備，會讓磊晶廠有能力發(fā)展出更先進的磊晶制程技術(shù)。機臺設(shè)備的能力跟磊晶技術(shù)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(yīng)用在功率元件之外，GaN on Si還可以應(yīng)用在射頻(RF)通訊上，目前相關(guān)技術(shù)進展最快的業(yè)者，就屬事業(yè)布局橫跨光通訊與RF兩端的MACOM。近日MACOM才與意法半導(dǎo)體(ST)達成合作協(xié)議，2019年ST工廠的6吋(150mm)硅基氮化鎵的產(chǎn)能將有擴張計畫，而8吋(200mm)的硅基氮化鎵則會依需求擴產(chǎn)，以支援全球5G電信網(wǎng)路建設(shè)。

隨著全球推出5G網(wǎng)路并轉(zhuǎn)向大規(guī)模MIMO(M-MIMO)天線配置，射頻功率產(chǎn)品需求預(yù)計將會大幅提升。具體來說，MACOM預(yù)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(chǔ)建設(shè)的投資在5年內(nèi)將預(yù)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(zhí)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(zhuǎn)型的成本結(jié)構(gòu)和制造規(guī)模。該公司認為，透過與意法半導(dǎo)體合作，將使MACOM能滿足基站廠商的全部要求－產(chǎn)品性能、成本優(yōu)勢和高產(chǎn)量供應(yīng)鏈。MACOM與ST這個初期階段的聯(lián)合產(chǎn)能投資，可以使雙方有更多產(chǎn)能服務(wù)在全球高達85%的5G網(wǎng)路建設(shè)市場。

ST汽車與離散產(chǎn)品部總裁Marco Monti表示，ST已經(jīng)在碳化硅技術(shù)領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在推進RF硅基氮化鎵的技術(shù)，以支援OEM廠建立新一代高性能5G網(wǎng)路。碳化硅是汽車功率轉(zhuǎn)換等電源應(yīng)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(chǎn)能和商用成本結(jié)構(gòu)。

事實上，射頻跟光電過去一直是化合物半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，以氮化鎵材料來說，在開拓出PowerFET應(yīng)用這個新市場之前，最重要的應(yīng)用市場就是高功率射頻領(lǐng)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(yīng)用，通訊基站就是其典型應(yīng)用之一。

在5G網(wǎng)路布建將采用更多微型基站情況下，相關(guān)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(shè)備相仿，發(fā)射功率也相近，因此若電信商要以微型基站組成網(wǎng)路，采購規(guī)模必然相當可觀。

不過，林嘉孚分析，以技術(shù)特性來看，硅基氮化鎵PA恐怕難以將應(yīng)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(zhì)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(fā)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(yōu)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(yīng)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(nèi)，可能都會停留在概念驗證或技術(shù)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(xù)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(shù)據(jù)機(Modem)芯片都將會透過異質(zhì)封裝技術(shù)整合在同一個封裝模組內(nèi)。若PA效率太低，封裝散熱的問題會相當棘手。


技術(shù)門檻高臺廠領(lǐng)先優(yōu)勢明顯

中國政府大力鼓吹半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自主，并投入大量資金來扶植相關(guān)業(yè)者，是近幾年來屢屢在全球半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)引發(fā)討論的話題。同樣的情況其實也出現(xiàn)在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，只是據(jù)業(yè)內(nèi)人士指出，中國政府對化合物半導(dǎo)體的投資高度聚焦在國防跟軍用領(lǐng)域，因此不像DRAM或晶圓代工，容易引發(fā)廣泛關(guān)注。

但即便中國在本土化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈同樣砸下重金，中國的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進展仍相當有限，一方面這跟技術(shù)管制有關(guān)，另一方面也跟長晶、磊晶技術(shù)十分復(fù)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(guān)。

除了少數(shù)例外，如發(fā)光二極體(LED)之外，一般來說，化合物半導(dǎo)體的磊晶技術(shù)跟設(shè)備受到高度管制，且有大量Know-how累積在磊晶廠手上。同款設(shè)備，使用不同配方跟制程參數(shù)，產(chǎn)出的產(chǎn)品特性會有很大不同。因此，中國很難復(fù)制在LED產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗，快速打造自主的化合物半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。相較下，臺灣化合物半導(dǎo)體制造發(fā)展較早，且設(shè)備、技術(shù)轉(zhuǎn)移方面，也較不會遇到困難。

有業(yè)界人士估計，臺灣化合物半導(dǎo)體制造商技術(shù)大概還領(lǐng)先中國同業(yè)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(dǎo)體領(lǐng)域還有很明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢，不用擔(dān)心中國同業(yè)殺價競爭。但也因為如此，臺灣的化合物半導(dǎo)體廠商通常十分低調(diào)，不僅不太愿意公開談?wù)撟约业募夹g(shù)或策略發(fā)展方向，而且資訊保防工作做得相當嚴密。每家業(yè)者都在鴨子劃水，盡最大努力保護自己的領(lǐng)先優(yōu)勢。