​氮化镓代工争夺战开打

2020-01-07
14:00:17
来源: 半导体行业观察


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苹果 iPhone X 採用 3D 感测技术后,半导体材料砷化镓因 VCSEL 等应用而声名大噪,近来随著 5G、电动车等新应用兴起,对功率半导体需求增温,新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势,快速攫获市场目光;


以中国台湾企业为代表的代工企业继站稳硅晶圆代工、砷化镓晶圆代工龙头地位后,也积极抢进氮化镓领域,力拚再拿代工龙头宝座。



半导体材料迈入第三代




半导体材料历经 3 个发展阶段,第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料;


第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料,以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表;


第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。



目前全球绝大多数半导体元件,都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体,不过,在高电压功率元件应用上,硅基元件因导通电阻过大,往往造成电能大量损耗,且在高频工作环境下,硅元件的切换频率相对较低,性能不如宽频化合物半导体材料。



硅基半导体受限硅材料的物理性质,而氮化镓、碳化硅则因导通电阻远小于硅基材料,导通损失、切换损失降低,可带来更高的能源转换效率。


挟著高频、高压等优势,加上导电性、散热性佳,元件体积也较小,适合功率半导体应用,近来在 5G、电动车等需求推升下,氮化镓等材料崛起成为半导体材料明日之星。



不过,其实氮化镓材料广为人知,是始于 LED 领域,1993 年时,日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓 (InGaN),开发出具高亮度的蓝光 LED,人类也因此凑齐可发出三原色光的 LED。



5G推升 氮化镓拥高频等优势而崛起




LED 领域发光发热后,近来受惠 5G、电动车应用推升,对高频率、高功率元件需求成长,市场对氮化镓的讨论声浪再度高涨。


氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间,具备低导通电阻、高频率等优势,可在高温、高电压环境下运作,但主要优势仍在于高频率元件,在高压与高功率表现上,虽优于硅基材料,但不如碳化硅材料表现亮眼。



从应用面来看,氮化镓应用包括变频器、变压器与无线充电,为国防、雷达、卫星通讯与无线通讯基地站等无线通讯设备的理想功率放大元件。



由于 5G 技术采用更高的操作频率,业界看好,GaN 元件将逐步取代横向扩散金氧半导体 (LDMOS),成为 5G 基站主流技术;


且在手机功率放大器 (PA) 方面,因 GaN 材料具备高频优势,未来也可望取代砷化镓製程,成为市场主流。



现行的 GaN 功率元件,以 GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)2 种晶圆为主,虽然 GaN-on-SiC 性能相对较佳,但价格大幅高于 GaN-on-Si,也使 GaN-on-Si 仍为目前市场主流,主要应用于电力电子领域,未来可望大幅导入 5G 基地台的功率放大器 (PA)。



看准庞大需求 晶圆代工厂积极抢进


看准了氮化镓这个机会,中国厂商正在积极推进。


首先从台厂进度来看,磊晶硅晶圆厂嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圆,已进入国际 IDM 厂认证阶段,并争取新订单中;


而同属汉磊投控 集团的晶圆代工厂汉磊科,则已量产 6 吋 GaN on Si 晶圆代工,瞄准车用需求;


晶圆代工龙头台积电 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圆代工服务。



至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圆,则在散热性能上具优势,适合高温、高频操作环境,主要应用在功率半导体的车用、工业与消费型电子元件领域,少量应用于通讯射频领域。


目前 GaN-on-SiC 晶圆可做到 4 吋与 6 吋,未来可望朝 8 吋推进,惟磊晶技术主要集中在碳化硅晶圆大厂 Cree 手中,其在 SiC 晶圆市占率高达 6 成之多,几乎独霸市场。



不过,在晶圆代工产能方面,三五族半导体晶圆代工厂稳懋 已开始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工服务,应用瞄准高功率 PA 及天线;


而环宇 – KY也拥有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 产能,且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证。



晶圆代工厂世界先进也在 GaN 材料上投资超过 4 年时间,持续与设备材料厂 Kyma、及转投资 GaN 硅基板厂 Qromis 携手合作,著眼开发可做到 8 吋的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST,今年可望有小量样品送样,初期主要瞄准电源领域应用。



5G 应用推升氮化镓材料需求,而除站稳硅晶圆代工龙头、砷化镓晶圆代工龙头宝座外,台厂在第三代半导体材料上,当然也不能缺席,包括硅晶圆代工厂、三五族半导体晶圆代工厂,均积极佈局氮化镓领域,以迎接 5G 时代下的半导体材料新革命。



当然在国内方面,也有多家厂商在大力投入,期望尽快看到他们开花结果的那天。

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