化合物半導體應用成主流,3D Sensing、自駕車輔助與動力控制為重點

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 25 日 10:00 | 分類 汽車科技 , 自駕車 , 電動車 Telegram share ! follow us in feedly


近年來,因摩爾定律的發展限制,使得傳統矽基半導體的進步受到侷限。但在 5G 通訊、車用電子與光通訊等方面的發展需求下,尋找新世代半導體的進展變得刻不容緩。而化合物半導體材料,因其高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性,恰好符合新世代半導體發展所需,化合物半導體的時代遂逐漸來臨。

根據 SEMI 國際半導體產業協會去年公布的功率暨化合物半導體晶圓廠展望報告,隨高階消費性電子產品、無線通訊、電動車、綠能建設、資料中心,還有工業(IIoT)和消費性物聯網(IoT)應用對能源效率的標準愈趨嚴格,功率元件所扮演的重要性也隨之與日俱增。因此,為了因應市場的需求,預測從 2017 至 2022 年,全球將興建 16 個功率暨化合物半導體晶圓廠,整體產能將成長 23%,每月投片量將達 120 萬片(8 吋約當晶圓)。

化合物半導體具個別特性,應用領域廣泛取代矽基半導體

雖然,現行全球 95% 以上的半導體晶片和器件,仍是以矽作為基礎功能材料而生產出來的矽基半導體為主。不過,隨著萬物聯網、5G 時代的到來,以砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等為代表的化合物半導體,正快速崛起中。如 5G 基地台的射頻模組、光通信、手機的無線通信系統,以及 3D Sensing 的 VSECL 泛光源、自動駕駛的毫米波雷達等新應用場景的出現,都將是化合物半導體的應用發展重點和成長動能。

所謂的化合物半導體,就是由化合物所構成的半導體材料,通常由兩種以上的元素構成。它的組合方式很多,帶來更多的想像空間。依據不同的材料特性,能設計出耐高溫、抗高電壓、抗輻射與可發光等元件產品,之後再加以開發應用在各種特定領域中。

像是氮化鎵(GaN),因其對電磁輻射的敏感性較低,使得氮化鎵為基礎所生產出的元件,在輻射環境中表現出很高的穩定性。這也使得氮化鎵的電晶體可以在高溫和高電壓下環境下工作,是理想的微波頻率功率放大元件。至於在碳化矽(SiC)的材料方面,雖然與氮化鎵一樣同樣具有低抗阻跟高頻率,以及具有耐高溫的特性。但相較於氮化鎵,碳化矽具有更高效率,且在目前成本逐漸降低的情況下,市場上普遍運用於電源控制的方面,也成為另一主流發展方向。

另外,在目前大家所最為熟悉的化合物半導體砷化鎵(GaAs)的部分,其所生產的微波元件主要有 3 種,包括 HBT(異質接面雙極電晶體)、PHEMT(假晶高速電子移動電晶體)及 MESFET(金屬半導體場效電晶體)。由於,其具有載波聚合和多輸入多輸出技術所需的高功率和高線性度,使得砷化鎵在當前 5G 通訊急速普及的階段,包括行動通訊、無線區域網路(WLAN)及自動駕駛汽車的雷達系統上更是應用的關鍵零組件。而且,還將會是 6GHz 以下頻段的主流技術。

▲化合物半導體近年快速崛起,尤以車用領域為應用發展重點。

3D Sensing 開啟手機臉部辨識應用大門

而在化合物半導體的應用上,包括電源控制、無線通訊、紅外線、太陽能、以及光通訊的應用層面為主。其中最為人所熟知的部分,當屬 3D Sensing、自駕車輔助系統的光達/雷達設備、以及車用動力的應用上。3D Sensing 的部分,起源於 2017 年以垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡稱 VCSEL)為核心元器件的 3D Sensing 攝影鏡頭,使用在蘋果 iPhone 的十周年機型上,進行使用者的人臉辨識(FACE ID) 功能,並進一步地掀起了全球智慧型手機採用 3D Sensing 攝影鏡頭的風潮,其中在 3D Sensing 攝影鏡頭的元件當中,就有以化合物半導體砷化鎵所製造的 VCSEL 晶片。

而蘋果 3D Sensing 的 VCSEL 主要供應商 Lumentum,其背後獨家的代工廠就是穩懋半導體,目前在砷化鎵的代工市場市占率 66%,若加計晶圓產值,市占率約 25%。穩懋不僅搶下蘋果 3D Sensing 的供應鏈龍頭位置,未來隨著蘋果準備把 3D Sensing 擴大應用在其他機型,將是化合物半導體發展上不可忽視的重點供應商。穩懋半導體策略長李宗鴻於 SEMICON Taiwan 2019 國際半導體展期間受訪時指出,穩懋是一家長期專注於發展化合物半導體晶圓代工業務的公司。在光電領域,穩懋的布局就包含 2.5G / 10G / 25G 邊射型雷射二極體、高功率邊射型雷射二極體、2.5G / 10G 檢光二極體(PD)、雪崩式檢光二極體(APD),以及垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)等關鍵元件,並提供磊晶、磊晶再成長、晶片製程、乃至特性檢測的一站式服務。未來也將持續深化產品技術開發,滿足 5G 基礎建設、3D 感測相關應用到車用光電等市場所需。

▲ 科技新報在 SEMICON Taiwan 2019 國際半導體展期間,於化合物半導體創新應用館,特別訪問化合物半導體重點供應商代表的穩懋策略長李宗鴻,與化合物半導體車用應用廠商代表 BMW 汎德總代理營業部 BMW i 與特殊銷售副理張維軒,一同談談化合物半導體的發展及應用前景。(影片來源:科技新報)

自駕車攜手光達系統,提供安全自駕車基礎

而除了在 3D Sensing 上的應用之外,近來在汽車市場上綻露頭角的自駕車,也成為使用化合物半導體產品的大宗。自駕車操控的構成條件,包括了感測器、定位、計算控制和精密的圖資等部分,其中感測器主要又以攝影機、超音波、毫米波雷達和光達等 4 種為主。除了 3D Sensing 應用於車內臉部辨識與手勢辨識中,化合物半導體的主要應用,便是在汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)的光達與雷達設備上,以及在電動車的動力控制系統上。

其中,在光達部分,就是利用飛行時間(Time Of Flight,TOF)技術,由汽車發出很短脈衝(~10 ns,10-8 秒)的雷射去照射目標,同時也啟動快速計時器進行時間量測。當光感測器接收到目標反射的回波訊號後,即停止快速計時器的計時,藉由期間光線的飛行時間來測量汽車與物體間的距離。原理與汽車雷達相類似,不同點在於光達能辨識物體,雷達卻只能感應距離。

而在光達的應用中,以化合半導體中砷化鎵的高功率和高線性特質來生產的 VCSEL 雷射元件,在其中就扮演了關鍵性的角色。因為藉由 VCSEL雷射元件所發射的雷射去照射目標,再透過接收器接收反射回來的雷射光束,達到測距的目的,使得光達系統能完整地發會功能與運作。

化合物半導體除了在自駕車領域的未來發展之外,事實上在當前的車用晶片部分,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。然而,透過化合物半導體中,包括應用氮化鎵和碳化矽等特性,將有助實現縮小車用元件尺寸。因此,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。

▲ BMW i 系列車款,配置了運用化合物半導體的 Personal CoPilot 智慧駕駛輔助科技。(Source:科技新報)

對此,在汽車先進駕駛科技上一直發展不遺餘力的 BMW 指出,目前 BMW 的全新的車款,絕大部分都已經有標準配置了 Personal CoPilot 智慧駕駛輔助科技。而這個運用了化合物半導體元件的智慧駕駛輔助科技,就是一整套給消費者完整的一個主動、被動的駕駛輔助系統,包含如自動跟車、車道偏離維持系統、盲點偵測系統、後方車流輔助系統、前方車流輔助系統,或者是十字路口的偵測功能,再搭配上自動停車輔助,以達到先進駕駛的功能。

而除了在駕駛系統採用化合物半導體元件之外,化合物半導體的科技進步、使得電池性能的提升,電池的密度將能增加,同樣體積大小的電池容量可以提升,並帶動整個電池成本的降低的情況下,將可帶動整個電動車的車輛售價降低。所以,BMW 也認為,預計在接下來 10 年內,電動車市場將因此應該會有一個非常蓬勃的發展。

可以確定的是,自蘋果 iPhone 所帶動的 3D Sensing 技術受到重視,並加速非蘋陣營導入 3D Sensing,促使 VCSEL 需求增溫,使得化合物半導體的發展受到重視,加上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,進而推升化合物半導體營收成長。此外,先進駕駛輔助系統的光達元件需求逐年提升,促使化合物半導體所生羼的元件需求增溫。整體而言,這一系列市場的應用普及,預計都將成為化合物半導體市場持續成長的主要動能。

(首圖來源:《科技新報》攝)