傳統硅半導體因自身發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。
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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，元件製程最初步驟由晶圓製造商選擇適當特性的基板(Substrate)，以硅、鍺與砷化鎵等材料作為半導體元件製程的基板，基板決定後再由磊晶廠依不同元件的功能需求，於基板上長成數層化合物半導體的磊晶層，磊晶層成長完成後，再透過IDM廠或IC設計、製造與封裝等步驟，完成整體元件的製造流程，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。
- 化合物半導體於終端市場應用
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)。
以電源控制為例，由於氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)等材料有不錯的耐高電壓和高頻特性，因此適合用於製造功率因素校正(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標。
在太陽能和光通訊方面，由於砷化鎵(GaAs)材料具備較佳的能源轉換率，以及適合接收來自紅光和紅外光等波段訊號，因此適合開發太陽能電池(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，已廣泛應用於手機通訊並佔有重要地位，帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升。
在國防領域，現階段對紅外光的需求(如紅外光熱影像和高功能夜視鏡)以中、長波長紅外光(LWIR、MWIR)等軍事領域為主，同樣帶動砷化鎵磊晶需求。在生物和醫療領域，由磷化銦(InP)材料作為雷射光源的關鍵核心，使得相關磊晶需求看漲。整體而言，將化合物半導體多元的材料特性應用於相關元件領域中，可產生許多新的可能性，帶動磊晶產業持續發展。
- 化合物半導體磊晶廠現況
現行化合物半導體商用磊晶製程技術，大致可分成MOCVD(有機金屬氣相沉積法)和MBE(分子束磊晶技術)，若以成長技術而論，MOCVD成長條件由氣相方法進行，透過氫氣(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，再導入反應腔體中，接著透過適當的反應溫度(400～800度)，讓氣體裂解併成長於基板上。MBE成長條件則透過元素加熱方式，藉由超高真空環境的腔體，將所需磊晶元素加熱昇華形成分子束，當分子束接觸基板後，就可形成所需磊晶結構。
若以量產速率分析MOCVD和MBE磊晶設備的優缺點，MOCVD為氣相方式導入反應腔體，其速度較MBE快1.5倍(MBE需時間加熱形成分子束)；但以磊晶質量來說，由於MBE可精準控制分子束磊晶成長，因此相較MOCVD有較佳結果。
觀察現行磊晶廠發展趨勢，雖MBE所需成本較高且速度較慢，但符合國防和光通訊領域等高精密元件產品需求。目前化合物半導體的IDM廠，大多選擇以MBE磊晶設備為成長方式，除了IDM廠外，磊晶代工廠英商IQE和IET，亦選用MBE作為廠內磊晶設備。
另一方面，由於MOCVD採用氣相成長方式，可快速且大範圍進行磊晶成長，雖然其磊晶質量稍不如MBE，但對需要大量、大面積磊晶成長的元件產品有吸引性，例如太陽能電池元件等。目前全球化合物半導體磊晶廠中，主要有6成廠商選擇可大範圍成長的MOCVD機臺；另外4成則選擇高精密性的MBE設備。
根據2018年全球化合物磊晶廠預估營收佔比可知，全球化合物半導體磊晶產業營收已超過4.9億美元，且英商IQE營收佔整體比例約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年預估佔比依然維持在16%(同2016年)。此外，全新光電營收佔比，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，使得市佔率小幅衰退。
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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。
- 終端市場未來走向
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。
▲未來磊晶廠終端產品趨勢；Source：拓墣產業研究院
硅半導體元件因受限於電子遷移率(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製程技術亦趨成熟，傳統硅半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻製程步驟，皆已成功轉置到化合物半導體上，有助於後續半導體產業持續發展。
關於無線通訊領域的未來發展，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。在基地臺建置部分，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，導致市場競爭激烈；此外，中國廠商原先欲藉由併購國外大廠進入氮化鎵代工市場，卻因國防安全為由受阻，因此現階段中國廠商對氮化鎵基地臺的發展受限。
為提升無線通訊質量，5G通訊市場將以較小功率消耗和較佳電子元件等特性為目標而努力，因此選擇砷化鎵和磷化銦等化合物半導體材料，作為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，由於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。由於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製程技術提升後，可趁勢打入砷化鎵代工供應鏈，提高射頻元件市佔率。
在車用芯片部分，由於使用環境要求(需於高溫、高頻與高功率下操作)，並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佔比大，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，由於寬能帶材料特性，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，為了實現自動駕駛汽車或無人車技術，先進駕駛輔助系統(ADAS)中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其元件特性，作為光達傳感器所需。
在光通訊芯片領域方面，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作為傳遞源的概念，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。
由於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。此外，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，其應用範圍除了手機，亦將擴充至眼球追蹤技術、安防領域(Security)、虛擬實境(VR)與近接識別等領域。
- 磊晶廠未來展望
雖然2018年手機銷售量相較2017年略為衰退，且2019年手機銷售量將趨於保守，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長。
2019年手機銷售量可能下滑和5G手機預估滲透率偏低等情形，將影響手機元件市場(如PA和LNA)與磊晶廠營收表現，現階段5G通訊領域還有待電信營運商的基地臺建置和開發市場，2019年營收成長有限，將連帶影響磊晶厂部分營收。
車用芯片由於使用環境較為嚴苛與需承受高電壓和高溫等條件，多選擇氮化鎵和碳化硅等化合物半導體；而電動車市場未來將持續小幅成長，帶動車用功率半導體元件需求，進而推升氮化鎵和碳化硅磊晶營收成長。
此外，先進駕駛輔助系統的光達元件需求逐年提升，促使氮化鎵和砷化鎵磊晶需求增溫，整體而言，未來車用化合物芯片的需求將逐步增加，成為磊晶市場持續成長的主要動能之一。
文丨拓墣產業研究院 王尊民
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