深度分析化合物半导体磊晶市场趋向

发布时间:2019-03-20 19:18:41 来源:

  传统硅半导体因本身开展局限和摩尔定律限制,需寻觅下一世代半导体资料,而化合物半导体资料的高电子迁徙率、间接能隙与宽能带等特征,恰恰契合将来半导体开展所需,终端产品趋向将由5G通信、车用电子与光通信范畴等运用主导。

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  化合物半导体市场剖析

  依据现行化合物半导体元件供给链,元件制程最初步骤由晶圆制作商抉择恰当特征的基板(Substrate),以硅、锗与砷化镓等资料作为半导体元件制程的基板,基板抉择后再由磊晶厂依不同元件的功用需求,于基板上长成数层化合物半导体的磊晶层,磊晶层生长实现后,再透过IDM厂或IC设计、制作与封装等步骤,实现整体元件的制作流程,最终由终端产品厂商组装和配置元件线路,消费手机与汽车等聪明运用产品。

  化合物半导体于终端市场运用

  元件产品依循化合物半导体资料特征(如耐低温、抗高电压、抗辐射与可发光)加以开发,将终端市场分为5个范畴:电源掌握(PowerControl)、无线通信(Wireless)、红内线(Infrared)、太阳能(Solar)与光通信(Photonics)。

  以电源掌握为例,因为氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等资料有不错的耐高电压和高频特征,因此适宜用于制作功率因素校对(PowerFactorCorrection,PFC)和低压功率减少器(HighVoltagePowerAmplifier,HVPA)等高功率元件,是现阶段支持化合物半导体电源掌握范畴的重要指标。

  在太阳能和光通信方面,因为砷化镓(GaAs)资料具备较佳的动力转换率,以及适宜吸收来自红光和红外光等波段讯号,因此适宜开发太阳能电池(Photovoltaics)和光侦测器(PhotonicDetection)等运用处域。

  近年手机通信范畴蓬勃开展,带动无线模块症结零组件滤波器(Filter)、开关元件(Switch)与功率减少器(PowerAmplifier)等元件需求生长;而砷化镓资料因具备低噪声、低耗电、高频与高效力等特征,已普遍运用于手机通信并占领重要位置,带动砷化镓磊晶需求逐年晋升。

  在国防范畴,现阶段对红外光的需求(如红外光热影像和高功用夜视镜)以中、长波长红外光(LWIR、MWIR)等军事范畴为主,同样带动砷化镓磊晶需求。在生物和医疗范畴,由磷化铟(InP)资料作为雷射光源的症结中心,使得相干磊晶需求看涨。整体而言,将化合物半导体多元的资料特征运用于相干元件范畴中,可发作许多新的能够性,带动磊晶产业连续开展。

  化合物半导体磊晶厂现况

  现行化合物半导体商用磊晶制程技巧,大抵可分红MOCVD(有机金属气相沉积法)和MBE(分子束磊晶技巧),若以生长技巧而论,MOCVD生长条件由气相方法进行,透过氢气(H2)或氮气(N2)等特定载气(CarrierGas)引诱,使三族(IIIA)和五族(VA)气体平均混杂后,再导入反映腔体中,接着透过恰当的反映温度(400~800度),让气体裂解并成擅长基板上。MBE生长条件则透过元素加热方法,借由超高真空环境的腔体,将所需磊晶元素加热升华造成分子束,当分子束接触基板后,就可造成所需磊晶构造。

  若以量产速率剖析MOCVD和MBE磊晶装备的优缺陷,MOCVD为气相方法导入反映腔体,其速度较MBE快1。5倍(MBE需时光加热造成分子束);但以磊晶质量来说,因为MBE可精准掌握分子束磊晶生长,因此相较MOCVD有较佳后果。

  视察现行磊晶厂开展趋向,虽MBE所需老本较高且速度较慢,但契合国防和光通信范畴等高精细元件产品需求。目前化合物半导体的IDM厂,大多抉择以MBE磊晶装备为生长方法,除了IDM厂外,磊晶代工厂英商IQE和IET,亦选用MBE作为厂内磊晶装备。

  另一方面,因为MOCVD采取气相生长方法,可疾速且大规模进行磊晶生长,尽管其磊晶质量稍不如MBE,但对须要少量、大面积磊晶生长的元件产品有吸引性,例如太阳能电池元件等。目前寰球化合物半导体磊晶厂中,重要有6成厂商抉择可大规模生长的MOCVD机台;另外4成则抉择高精细性的MBE装备。

  依据2018年寰球化合物磊晶厂预估营收占比可知,寰球化合物半导体磊晶产业营收已超越4。9亿美元,且英商IQE营收占整体比例约44%,与2016年营收保持雷同比例,稳居磊晶龙头宝座;排名第二的联亚,2018年预估占比仍然保持在16%(同2016年)。此外,全新光电营收占比,由2017年17%降至2018年预估的14%;寰球MBE磊晶第二大厂IET(英特磊)营收,则由2017年7%降至2018年预估的5%,其衰退起因与中美贸易战和寰球手机销售不如预期有关,使得市占率小幅衰退。

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  化合物半导体磊晶厂将来开展

  针对化合物半导体将来的终端市场需求,按照不同元件特征可分为传输和无线通信的5G芯片、耐低温与抗高电压的车用芯片,以及可吸收和回传讯号的光通信芯片三大范畴。借由5G芯片、车用芯片与光通信芯片的元件开发,将带动将来磊晶厂营收和资本收入,确立将来投资方向。

  终端市场将来走向

  由化合物半导体开展趋向可知,将来元件需求将以高速、高频与高功率等特征,连结5G通信、车用电子与光通信范畴的运用,打破硅半导体摩尔定律限制。

  ▲将来磊晶厂终端产品趋向;Source:拓墣产业钻研院

  硅半导体元件因受限于电子迁徙率(ElectronMobility)、发光效力与环境温度等限制,难以满意元件特征需求,因此当化合物半导体涌现,其高电子迁徙率、间接能隙与宽能带等特征,为元件开展的将来性供给新契机。随着科技开展,化合物半导体的元件制程技巧亦趋成熟,传统硅半导体的薄膜、曝光、显影与蚀刻制程步骤,皆已胜利转置到化合物半导体上,有助于后续半导体产业连续开展。

  对于无线通信范畴的将来开展,现行厂商已逐步由本来4G装备更新至5G基本建立,5G基地台的布建密度将更甚4G,且基地台外部运用的功率元件,将由宽能带氮化镓功率元件代替DMOS(双重分散金氧半场效晶体管)元件。在基地台建置局部,目前已集中在IDM厂(如Qorvo、Cree与日本住友电工),且各代工大厂相继投入,招致市场竞争强烈;此外,中国厂商本来欲借由并购国外大厂进入氮化镓代工市场,却因国防平安为由碰壁,因此现阶段中国厂商对氮化镓基地台的开展受限。

  为晋升无线通信质量,5G通信市场将以较小功率消费和较佳电子元件等特征为宗旨而尽力,因此抉择砷化镓和磷化铟等化合物半导体资料,作为PA(功率减少器)和LNA(低乐音减少器)等射频元件(RadioFrequency,RF)。

  整体而言,因为砷化镓射频元件市场多由IDM厂(如Skyworks、Qorvo与Broadcom)掌握,因此只要当需求超越IDM厂负荷时,才会将订单发包给其余元件代工厂,对其余欲投入元件代工的厂商而言则更艰难。因为中国手机市场对射频元件的海内需求增添,且预期5G手机浸透率将晋升,或者中国代工厂商的射频制程技巧晋升后,可顺势打入砷化镓代工供给链,进步射频元件市占率。

  在车用芯片局部,因为运用环境请求(需于低温、高频与高功率下操作),并配合汽车电路上的电感和电容等,使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大,透过化合物半导体中,宽能带半导体资料氮化镓和碳化硅等特征,将有助实现减少车用元件尺寸。

  借由氮化镓和碳化硅代替硅半导体,增添车用元件切换时的耗能已逐步成为能够。以氮化镓和碳化硅资料作为车用功率元件时,因为宽能带资料特征,可大幅缩减四周电路体积,到达模块轻量化后果,且氮化镓和碳化硅较硅半导体有不错的散热特征,可增添散热体系模块,进一步朝车用轻量化宗旨迈进。

  此外,车用芯片对光达(LiDAR)传感器的运用也很重要,为了实现主动驾驶汽车或无人车技巧,先进驾驶辅佐体系(ADAS)中的光达传感器不可或缺,透过氮化镓和砷化镓磊晶资料满意其元件特征,作为光达传感器所需。

  在光通信芯片范畴方面,为了处理金属导线传递讯号的限制和瓶颈,因此开发以雷射光在光纤中作为传递源的概念,打破本来电子透过金属缆线下轻易发作电阻和电容时光延迟(RCDelay)景象,且借由雷射光疾速传递和讯号不易衰退特征,使得硅光子技巧(SiliconPhotonics)逐步遭到注重。

  因为光通信芯片对光收发模块的须要,PD(光侦测器)与LD(雷射侦测器)等模块需求回升,带动砷化镓与磷化铟磊晶市场。此外,近年手机搭配3D感测运用有显著生长趋向,带动VCSEL(垂直腔面发射激光器)元件需求增添,砷化镓磊晶也逐步升温,将来3D感测用的光通信芯片,其运用规模除了手机,亦将扩大至眼球追踪技巧、安防范畴(Security)、虚构实境(VR)与近接辨认等范畴。

  磊晶厂将来瞻望

  尽管2018年手机销售量相较2017年略为衰退,且2019年手机销售量将趋于激进,但近年因Apple手机的3D感测技巧遭到注重,带动非Apple阵营减速导入3D感测市场,匆匆使VCSEL需求增温,对光通信范畴的元件需求有增添趋向,带动2018年局部磊晶厂资本收入生长。

  2019年手机销售量能够下滑和5G手机预估浸透率偏高等情况,将影响手机元件市场(如PA和LNA)与磊晶厂营收体现,现阶段5G通信范畴还有待电信营运商的基地台建置和开发市场,2019年营收生长有限,将连带影响磊晶厂局部营收。

  车用芯片因为运用环境较为严苛与需蒙受高电压和低温等条件,多抉择氮化镓和碳化硅等化合物半导体;而电动车市场将来将连续小幅生长,带动车用功率半导体元件需求,进而推升氮化镓和碳化硅磊晶营收生长。

  此外,先进驾驶辅佐体系的光达元件需求逐年晋升,匆匆使氮化镓和砷化镓磊晶需求增温,整体而言,将来车用化合物芯片的需求将逐步增添,成为磊晶市场连续生长的重要动能之一。

  文丨拓墣产业钻研院王尊民

 

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