搶攻毫米波通訊市場(chǎng) 化合物半導(dǎo)體當(dāng)仁不讓

化合物半導(dǎo)體是一個(gè)非常龐大的概念，泛指各種使用三五族（III-V）、二六族（II-VI）及四六族（IV-VI）化合物材料的半導(dǎo)體組件?；衔锊牧嫌性S多不同于硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的特性，其中最廣為人知的特性就是直接能隙（Direct Bandgap）以及在超高頻率下運(yùn)作。此外，有些化合物材料則具備很高的能源轉(zhuǎn)換效率，例如在電源芯片領(lǐng)域掀起革命的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC），便分屬于三五族及四六族半導(dǎo)體（圖1）。

圖1　化合物半導(dǎo)體種類繁多，應(yīng)用范疇極為寬廣。（數(shù)據(jù)源：SEMI）

化合物半導(dǎo)體的出現(xiàn)，對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)用的擴(kuò)張極為重要。在化合物材料成熟之前，半導(dǎo)體組件最主要的應(yīng)用產(chǎn)品是各種內(nèi)存、處理器或邏輯組件，但在化合物材料逐漸成熟后，射頻、感測(cè)及光電組件開(kāi)始成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可忽視的勢(shì)力，同時(shí)也對(duì)通訊、照明等領(lǐng)域產(chǎn)生極大顛覆。但化合物半導(dǎo)體的能耐不僅如此而已，接下來(lái)汽車(chē)、能源等領(lǐng)域，也將會(huì)因?yàn)榛衔锇雽?dǎo)體的成熟而出現(xiàn)天翻地覆的改變。

化合物材料十八般武藝樣樣通

直接能隙是化合物半導(dǎo)體材料最廣為人知，同時(shí)應(yīng)用也最成熟的特性之一。具備直接能隙的材料，在電子從導(dǎo)電帶往價(jià)電帶轉(zhuǎn)移時(shí)，絕大部分能量都會(huì)以光的形式釋放出來(lái)，而屬于間接能隙（Indirect Bandgap）的硅材料則不同，在電子轉(zhuǎn)移時(shí)，大部分能量會(huì)以熱的形式釋出，僅有一小部分會(huì)轉(zhuǎn)換成光。因此，直接能隙這項(xiàng)特性與各種光電半導(dǎo)體的出現(xiàn)息息相關(guān)，從最成熟的發(fā)光二極管（LED），到光通訊所使用的雷射光源及傳感器，都是直接能隙特性的應(yīng)用。

至于在超高運(yùn)作頻率方面，化合物半導(dǎo)體同樣具備硅難以相提并論的特性。以射頻應(yīng)用為例，在無(wú)線通信所使用的頻段持續(xù)往高頻發(fā)展的過(guò)程中，化合物半導(dǎo)體的進(jìn)展總是扮演開(kāi)路先鋒的角色。例如在802.11a技術(shù)剛開(kāi)始商品化，將Wi-Fi通訊頻段推向5GHz的早期階段，市場(chǎng)上幾乎找不到5GHz CMOS射頻功率放大器（PA）組件。同樣的，目前話題正熱的5G毫米波（mmWave）通訊，由于通訊頻段落在28GHz、39GHz甚至70GHz以上，相關(guān)射頻PA組件在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，都將是化合物半導(dǎo)體的天下。

在電源管理領(lǐng)域，氮化鎵與碳化硅這兩項(xiàng)新材料，則正在醞釀一波翻天覆地的大革命。相較于傳統(tǒng)以硅為基礎(chǔ)的電源轉(zhuǎn)換芯片，氮化鎵與碳化硅組件不僅轉(zhuǎn)換效率更高，而且也有助于實(shí)現(xiàn)更小型化的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。預(yù)估在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，氮化鎵組件將可望在功率輸出400瓦以下的中低功率電源應(yīng)用大量普及，而碳化硅組件則可望占據(jù)600瓦以上的高功率市場(chǎng)。包含電動(dòng)車(chē)的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）、可以與再生能源搭配使用的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)（Energy Storage System， ESS），以及數(shù)據(jù)中心所使用的電源供應(yīng)器，都將因氮化鎵及碳化硅組件的應(yīng)用，而在效能上大有突破。

光通訊/光感測(cè)發(fā)展前景同樣亮眼

聯(lián)穎光電技術(shù)長(zhǎng)林嘉孚（圖2右）引述Strategic Analytics的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，2015年全球化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模約為240億美元左右，其中LED是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，占整體化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)的五成多；其次則是射頻通訊組件，占比超過(guò)四成，其他應(yīng)用的占比極低。不過(guò)，隨著5G通訊、電源管理等應(yīng)用崛起，化合物半導(dǎo)體在光通訊及電源管理、光感測(cè)等領(lǐng)域的表現(xiàn)將會(huì)更加出色，至于已經(jīng)連續(xù)多年高速成長(zhǎng)的射頻應(yīng)用，則會(huì)因?yàn)?a target="_blank">手機(jī)市場(chǎng)漸趨飽和而成長(zhǎng)趨緩，預(yù)估到2020年時(shí)，射頻組件占化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)的比重會(huì)降低到25%上下。

圖2 SEMI***區(qū)總裁曹世綸（中）、聯(lián)穎光電技術(shù)長(zhǎng)林嘉孚（右）及SEMI***區(qū)產(chǎn)業(yè)研究資深經(jīng)理曾瑞榆（左）

綜合SEMI及Strategic Analytics的數(shù)據(jù)，到了2020年，化合物半導(dǎo)體的整體市場(chǎng)規(guī)模將大幅成長(zhǎng)到440億美元，復(fù)合年增率（CAGR）達(dá)12.9%，與整體半導(dǎo)體市場(chǎng)6.5%的CAGR相比，表現(xiàn)極為亮眼。因此，不管是LED、射頻還是其他應(yīng)用，其市場(chǎng)規(guī)模都會(huì)顯著成長(zhǎng)。

事實(shí)上，扣除LED與通訊關(guān)聯(lián)性較低之外，其他化合物半導(dǎo)體不斷成長(zhǎng)，都跟數(shù)據(jù)通訊流量持續(xù)提升的大趨勢(shì)有關(guān)。數(shù)據(jù)流量的不斷成長(zhǎng)，推升了數(shù)據(jù)中心與行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)布建的需求，同時(shí)也為化合物半導(dǎo)體帶來(lái)多樣化的應(yīng)用機(jī)會(huì)。除了前面提到的電源系統(tǒng)外，光纖通訊所使用的雷射光源、光傳感器（PhotonDetector），也都會(huì)大幅成長(zhǎng)。

而提到光源應(yīng)用，垂直腔面激發(fā)雷射（VCSEL）則是不可不提的重要技術(shù)。VCSEL不僅可以用在光纖通訊，也可以應(yīng)用在接近傳感器這類消費(fèi)性應(yīng)用上，而且與現(xiàn)有的解決方案相比，以VCSEL為基礎(chǔ)的接近傳感器更適合實(shí)現(xiàn)各種三度空間的感測(cè)，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、擴(kuò)增實(shí)境（AR）的發(fā)展相當(dāng)關(guān)鍵。

搶攻毫米波通訊市場(chǎng)　化合物半導(dǎo)體當(dāng)仁不讓

至于在射頻通訊領(lǐng)域，雖然整體市場(chǎng)成長(zhǎng)動(dòng)能因智能型手機(jī)飽和而趨緩，但5G所提出的毫米波通訊，將可望帶來(lái)結(jié)構(gòu)性的轉(zhuǎn)變。5G對(duì)射頻組件帶來(lái)許多新的挑戰(zhàn)，例如更高的通訊頻段、更寬的帶寬，同時(shí)漏電流要更低，以紓解功耗跟散熱方面的問(wèn)題。

業(yè)界普遍認(rèn)為，毫米波是難度很高的技術(shù)關(guān)卡，但林嘉孚認(rèn)為，對(duì)硅半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)或許是如此，但是對(duì)化合物半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，問(wèn)題其實(shí)不大。目前6GHz以下的PA組件，最主流的材料制程是GaAs HBT；28GHz～39GHz則可分成兩大類，分別是智能型手機(jī)用的GaAs HEMT，以及適合小型基地臺(tái)應(yīng)用的GaN HEMT。至于70GHz以上的超高頻段，則有InP HBT、GaN HEMT、GaAs HEMT等多種制程跟材料選擇。這些都是已經(jīng)可以量產(chǎn)的制程跟材料技術(shù)（圖3）。

圖3　可用來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波功率放大器的各種化合物半導(dǎo)體材料及制程。（數(shù)據(jù)源：SEMI）

多年媳婦熬成婆　化合物半導(dǎo)體嶄露頭角

事實(shí)上，化合物半導(dǎo)體發(fā)展的歷史，和硅半導(dǎo)體相去不遠(yuǎn)。很多制程跟材料技術(shù)，都已經(jīng)醞釀了二十年以上，只是因?yàn)槭袌?chǎng)規(guī)模不如硅半導(dǎo)體，而較不受到市場(chǎng)關(guān)注。

不過(guò)，半導(dǎo)體業(yè)界內(nèi)部，對(duì)于化合物半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的注意力從來(lái)就不曾少過(guò)。林嘉孚回憶，他在二十年前選擇進(jìn)入化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)時(shí)，最主要的原因就是化合物半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)很多硅半導(dǎo)體所不能做到的功能，而且這些技術(shù)若能成功商品化，都具備改變?nèi)祟惿畹臐摿?，可說(shuō)是非常夢(mèng)幻的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)然，世事發(fā)展不總是盡如預(yù)料。林嘉孚有點(diǎn)開(kāi)自己玩笑地說(shuō)：「在化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)耕耘二十年，頭發(fā)都白了，才終于盼到化合物半導(dǎo)體起飛的機(jī)會(huì)?！沟豢煞裾J(rèn)的是，化合物半導(dǎo)體確實(shí)具備極大的發(fā)展?jié)摿?，甚至能顛覆其他傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。例如照明產(chǎn)業(yè)，自從鎢絲燈泡跟日光燈管出現(xiàn)后，照明設(shè)備有幾十年沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)重大的技術(shù)創(chuàng)新。但如今，LED已經(jīng)完全改變了照明產(chǎn)業(yè)的樣貌，鎢絲燈泡跟日光燈管都快要步下舞臺(tái)了。

同樣的例子也發(fā)生在電信產(chǎn)業(yè)，而且這個(gè)革命來(lái)得更早。在行動(dòng)通訊技術(shù)出現(xiàn)前，市話業(yè)務(wù)曾經(jīng)是每家電信業(yè)者賴以為生的金雞母，但如今市話業(yè)務(wù)對(duì)電信業(yè)者的重要性早已大不如前，行動(dòng)通訊才是大多數(shù)電信業(yè)者的必爭(zhēng)之地。

半導(dǎo)體應(yīng)用無(wú)孔不入　SEMI服務(wù)領(lǐng)域大舉擴(kuò)張

有鑒于化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模及重要性不斷增加，并且為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多應(yīng)用，為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供多樣化服務(wù)的產(chǎn)業(yè)組織SEMI，近年來(lái)服務(wù)范疇也不斷擴(kuò)大。其中，跨足LED及綠能，都跟化合物半導(dǎo)體有密不可分的關(guān)系。加上近期整并軟性電子及MEMS傳感器領(lǐng)域的兩大產(chǎn)業(yè)組織FlexTech及MEMS & Sensors Industry Group，SEMI串連起整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)的能力更進(jìn)一步增強(qiáng)。

SEMI***區(qū)總裁曹世綸（圖2中）表示，半導(dǎo)體組件已經(jīng)無(wú)所不在，近期***政府大力推動(dòng)的五大創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)，將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，為半導(dǎo)體帶來(lái)更多應(yīng)用出?？?。不過(guò)，不同的垂直產(chǎn)業(yè)，對(duì)于半導(dǎo)體解決方案的需求也不一樣，因此，SEMI必然要跨出以往只專注在硅晶圓制造、IC設(shè)計(jì)、封裝等傳統(tǒng)領(lǐng)域，往化合物半導(dǎo)體、軟硬電子、傳感器等范疇進(jìn)行布局。

林嘉孚則表示，化合物半導(dǎo)體跟硅晶半導(dǎo)體有很類似的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，只是其中的成員不同。正如同硅晶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈有晶圓制造、設(shè)備、封裝測(cè)試、IC設(shè)計(jì)等角色分工，化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的垂直分工也是一樣的，只是晶圓制造改稱為磊晶成長(zhǎng)。不過(guò)，由于材料大不相同，因此身處硅晶產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)者要跨進(jìn)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)鏈，有很高的進(jìn)入障礙。

***有很完整的硅晶產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)溝通協(xié)調(diào)與整合能力也是世界一流，SEMI所創(chuàng)造的產(chǎn)業(yè)平臺(tái)是背后的主要功臣之一。在SEMI擴(kuò)大對(duì)化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的服務(wù)后，林嘉孚相信，***的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，將可有更好的溝通協(xié)調(diào)平臺(tái)。這對(duì)于***的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展是一大福音，同時(shí)也會(huì)讓***的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在面對(duì)中國(guó)同業(yè)崛起時(shí)，增加更多戰(zhàn)略上的籌碼。

事實(shí)上，除了LED之外，很多化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用技術(shù)因?yàn)樯婕败娛聡?guó)防，因此受到高度管制，中國(guó)同業(yè)想取得相關(guān)技術(shù)的難度，只會(huì)比硅晶技術(shù)更高。目前看來(lái)，若中國(guó)想全面發(fā)展自己的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，跨出LED領(lǐng)域后，只能靠自己摸索。但***的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)并未受到管制，不管是要從外部取得技術(shù)，或是與國(guó)外業(yè)者進(jìn)行合作研發(fā)，空間都比較大。這是***化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展上的一大優(yōu)勢(shì)。