【拓墣觀點】摩爾定律限制矽半導體發展,化合物半導體材料成新解?

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 09 日 8:15 | 分類 晶圓 , 晶片 , 材料 follow us in feedly

傳統矽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,元件製程最初步驟由晶圓製造商選擇適當特性的基板(Substrate),以矽、鍺與砷化鎵等材料做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,待成長完成後,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。

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,帶動無線模組關鍵零組件濾波器(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雜訊、低耗電、高頻與高效率等特點,已廣泛應用於手機通訊並占有重要地位,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 晶片、耐高溫與抗高電壓的車用晶片,以及可接收和回傳訊號的光通訊晶片三大領域。藉由 5G 晶片、車用晶片與光通訊晶片的元件開發,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,突破矽半導體摩爾定律限制。

(Source:拓墣產業研究院,2019.3)

矽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,傳統矽半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻製程步驟,皆已成功轉置到化合物半導體,有助於後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 基地台的佈建密度將更甚 4G,且基地台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電晶體)元件。

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,提高射頻元件市占率。

車用晶片部分,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矽等特性,將有助實現縮小車用元件尺寸。

藉由氮化鎵和碳化矽取代矽半導體,減少車用元件切換時的耗能已逐漸成為可能。以氮化鎵和碳化矽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,達到模組輕量化效果,且氮化鎵和碳化矽較矽半導體有不錯的散熱特性,可減少散熱系統模組,進一步朝車用輕量化目標邁進。

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

光通訊晶片方面,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,使得矽光子技術(Silicon Photonics)逐漸受到重視。

由於光通訊晶片對光收發模組的需要,PD(光偵測器)與 LD(雷射偵測器)等模組需求上升,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(垂直腔面發射雷射器)元件需求增加,砷化鎵磊晶也逐步升溫,未來 3D 感測用的光通訊晶片,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)與近接辨識等領域。

(首圖來源:shutterstock)