(圖/shutterstock)

 

 

5G 將在今年統一標準

自駕車、智慧城市、智慧工廠的普及化

需要大量的資料中心及聯網裝置來達成

但現有的 4G 技術，已經無法負荷 ...

唯有發展 5G，才能滿足新興科技應用

詳情請見此文》「5G 產業」大解密

 

高頻段：頻率在 6GHz 以上

5G 世代需要高頻段的頻率技術

頻率至少要有 6GHz，才夠支援！

當今有一個關鍵材料 ...

→ 頻率範圍有 2－300 GHz

→ 在高頻使用下，雜訊少且功率耗損低

→ 有抗輻射、耐高電壓等特性

他就是本篇主角：砷化鎵(GaAs) 

 

文章分成 4 段落分析 ...

☪ 半導體材料的玄機都藏在元素周期表裡

☪ 兩個半導體夯材料：矽(Si)與砷化鎵(GaAs)

☪ 高頻趨勢下的材料：解構砷化鎵產業鏈

☪ 未完待續：砷化鎵的 IC 代工是下波焦點主流

 

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正文繼續 ...

 

☪ 半導體材料的玄機

都藏在元素周期表裡 ...

氫、鋰、鈉、鉀、銣、銫、

鍅、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳

這些化學課上死背活背的元素們 ...

其實跟當今的半導體夯材料大有關係！

 

 

半導體的材料都依照「原料」區分

最常見的兩類分別是：元素 ＆ 化合物

 

1. 元素半導體材料：

以「單一」元素組成的半導體材料

最具代表性的材料，除了有 ...

鍺 (Ge)、錫 (Sn)、硼 (B)、硒 (Se) 外

還有供不應求的矽 (Si)，也是元素之一

 

元素半導體材料有一特點：不發光

由於電子在轉化時是「間接能隙」

多數的能量在過程中都會轉化為熱能

電子能釋放出的光能就少，故不發光

也因為元素材料不發光的原因

他們大多被拿去做『運算元件』

產品應用在 ...

→　CPU (中央處理器)

→　DRAM (動態隨機記憶體)

→　FRAM (鐵電隨機存取記憶體)

 

2. 化合物半導體材料：

由「多種」元素組成的半導體材料

化合物組成的半導體材料數量、總類多

而化合半導體的特點是：會發光

與元素相反，化合物是採「直接能隙」

電子的轉移效率強，可以保留住能量

最終會釋放大量光能，故會發光

而這些會發光的材料，大多被拿去做

『發光元件』，產品應用在 ...

→　LD (雷射二極體)

→　LED (發光二極體)

 

目前將常見的化合物材料

按元素類型分為以下 3 族群

族群 1 類：三五半導體

三五族 人如其名，就是

從元素週期表中挑 ⅢA 族的一元素

及 VA 族的一元素，再將兩者混合而成

常見的三五族化合物材料有 ...

氮化鎵 (GaN)、砷化鎵 (GaAs)、

磷化銦 (InP)、砷化銦 (InAs)

 

 

族群 2 類：二六半導體

二六族，就是挑 IIA 族的一元素 及

VIA 族的一元素，再將兩者混合而成

常見的二六族化合物材料有 ...

硫化鋅 (ZnS)、硒化鋅 (ZnSe)、

硫化鎘 (CdS)、碲化鎘 (CdTe)

 

 

族群 3 類：四四半導體

四四族，則是同族群的化合物

由 IVA 族 兩種(以上)的元素混合而成

常見的四四族化合物材料有 ...

碳化矽 (SiC)、矽鍺 (SiGe)

 

 

☪ 兩個半導體夯材料：

矽(Si)與砷化鎵(GaAs)

上面帶大家簡單認識了元素周期表

接下來要介紹：兩個半導體夯材料

1. 單一元素：矽 (Si)

2. 三五族 (化合物)：砷化鎵 (GaAs)

 

 

1. 單一元素：矽

相信大家對 矽 絕對不陌生！

近年吵得火熱，供不應求、不斷漲價的

矽 (Si)，就是其中一個半導體夯材料

他是 IVA 元素，積體電路的基底材料

 

【以矽為基底材料的矽晶圓製作過程】

經由溶解、提煉、還原、氯化、蒸餾等

過程後，製成 99.99% 的高純度多晶矽

待多晶矽融化後，加入矽種再旋轉拉出

最後把圓柱狀的矽晶棒切割成一小片圓片

對圓片進行研磨、拋光等動作，即成矽晶圓

 

2. 三五族(化合物)：砷化鎵

化合物半導體材料的 Ⅲ-V (三五) 族中

有另一個隨著無線通訊產業起飛的

半導體夯材料，他就是：砷化鎵！

砷化鎵 (GaAs) 怎麼組成的？

1. ⅢA 中的 鎵 (Ga)

2. VA 的 砷 (As)

是由上述兩種元素混合而成

 

很清楚的，砷化鎵與矽不同

矽是單一元素；砷化鎵則是化合物

化合物可以彌補單一元素的不足之處

下面來看兩者的對比圖表 ...

 

誰有高頻、高電子遷移率、

抗雜訊、耐電壓的贏家特點？

答案是：砷化鎵 (GaAs)

漲價題材不斷，製造廠都搶著要矽晶圓

為什麼我還說 砷化鎵 具有贏家特點？

那是因為 矽晶圓 跟 砷化鎵 的應用不同

矽主要作為 → 積體電路的基底材料

砷化鎵則是 → 無線通訊的基底材料

而「高頻、高電子遷移率、抗雜訊、

耐電壓」等特點正是無線通訊需要的！

再搭上未來 5G 設備的建置熱潮 ...

砷化鎵的需求很大，將是焦點主流

 

雖然砷化鎵在技術與規格上有優異性能

但矽也有他強大的地方，舉兩個例子：

1. 矽晶圓有 3 - 12 吋製程，具規模經濟

2. 矽製程中 CMOS 具有低成本優勢

這兩點對昂貴生產程本的砷化鎵來說

也會產生不容小覷的威脅與競爭 ...

 

 

☪ 高頻趨勢下的材料

解構：砷化鎵產業鏈

砷化鎵的產業鏈，其實與半導體相同

但過往我們熟悉的上游材料是矽晶圓

現在只是將材料從矽晶圓替換成砷化鎵

兩者都屬半導體產業，生產過程相同！

 

 

1. 上游材料端

基板與磊晶圓

砷化鎵產業鏈中有兩大材料

材料一：砷化鎵的專用基板

基板是生產砷化鎵的第一步

透過拉晶，就可以製造出基板

國內少有專研砷化鎵基板的廠商

大多以國外為主，例如 ... 德國的 FCM、

美國的 AXT 以及日本的 Sumitomo

 

材料二：砷化鎵的元件磊晶圓

磊晶圓就好比矽晶圓，只是用料不同

砷化鎵為化學物、矽晶圓則是單一元素

化學物的磊晶製程，會相對複雜！

國內生產化學物磊晶圓的廠商有 ...

全新(2455)、聯亞(3081)、IET(4971)

國外除了英國的 IQE 之外，

多半都是日本的製造廠，像是 ...

Hitachi Cable、Furukawa Electric 等

 

 

2. 中游製造端

設計、代工、封測

（以及 IDM 整合元件廠）

製造端這邊，想必大家更加熟悉！

設計、代工、封測：依照專業分工

IC 設計就好比「房子的設計師」

按照客戶要的功能、規格等需求

將一套邏輯，設計開發成電路

國內設計廠：立積(4968)、絡達(6256)

國外則有美國的 Microsemi 及中國的 RDA

 

IC 代工就好比「房子的施工人員」

先是向上游買足需要的材料

再按設計廠給的，製造出砷化鎵晶圓

國內代工廠：穩懋(3105)、聯穎光電、

環宇-KY(4991)、宏捷科(8086)

 

IC 封測就好比「房子的檢驗人員」

到了這一關卡，砷化鎵晶圓完成生產

送往封裝與測試廠，做最後的收尾確認

國內封裝廠：菱生(2369)、同欣電(6271)

國內測試廠：京元電(2449)、日月光投控(3711)、矽格(6257)

 

IDM：則是三者全包的整合元件廠

同樣用房子比喻 IDM，即是一個大集團

公司有：設計師＋施工人員＋檢驗人員

從「設計」到「代工」再到「封測」

都由同間公司完成的，無須委外分工

IDM 國內廠僅一家：全訊(5222)

國外則是以 美國廠商 佔最大宗

例如：Skyworks、Qorvo、Lumentum

 

 

3. 下游應用端

手機、無線通訊及射頻系統

一. 砷化鎵最大頻率範圍：2~300 GHz

二. 在高頻使用下，雜訊相對比矽少

三. 且有抗輻射、耐高電壓等特性

基於以上三點，砷化鎵被高頻傳輸、

無線通訊產業相中，廣泛應用在 ...

手機、基地台、WLAN 等產品

 

相關廠商如：蘋果、三星、LG、小米、

華為、Oppo、愛立信、思科系統 等 ...

 

 

以上講得漏漏長 ...

最後幫大家做 4 個結論

<1> 半導體材料分為元素與化合物

元素是由單一元素組成，為運算元件

化合物是由多種元素組成，為發光元件

按類型可分：三五族、二六族、四四族

 

<2> 矽 (Si) 是 IVA 的單一元素

砷化鎵 (GaAs) 則是由 ⅢA 中的

鎵 (Ga) 及 VA 的 砷 (As) 混合而成

 

<3> 矽與砷化鎵的對決：

矽主要作為 → 積體電路的基底材料

有大尺吋、低成本及規模經濟的優勢

砷化鎵則是 → 無線通訊的基底材料

有高頻、高電子遷移率、抗雜訊的優勢

 

<4> 解構砷化鎵產業鏈

材料：【基版、磊晶圓】

製造：【設計代工封測 / IDM 整合】

應用：【手機、無線通訊、射頻系統】

 

☪ 未完待續 ...

下一篇，我將帶你探討

砷化鎵供應鏈的「IC 代工」

台灣砷化鎵的代工能力極強！

三大代工廠：穩懋(3105)、環宇(4991)

以及宏捷科(8086)，就吃下 89% 市佔率

在下一篇文章中，將焦點分析這 3 大廠

我們下次再見～