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。
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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