台積電搶進！氮化鎵代工爭奪戰開打，搶占5G風口

導語：蘋果iPhoneX採用3D感測技術後，半導體材料砷化鎵因VCSEL等應用而聲名大噪，近來隨著5G、電動車等新應用興起，對功率半導體需求增溫，新一代材料氮化鎵(GaN)挾著高頻率等優勢，快速攫獲市場目光；以台灣企業為代表的代工企業繼站穩矽晶圓代工、砷化鎵晶圓代工龍頭地位後，也積極搶進氮化鎵領域，力拚再拿代工龍頭寶座。

　　半導體材料邁入第三代

　　半導體材料歷經3個發展階段，第一代是矽(Si)、鍺(Ge)等基礎功能材料；第二代開始進入由2種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表；第三代則是氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬頻化合物半導體材料。

　　目前全球絕大多數半導體元件，都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體，不過，在高電壓功率元件應用上，矽基元件因導通電阻過大，往往造成電能大量損耗，且在高頻工作環境下，矽元件的切換頻率相對較低，性能不如寬頻化合物半導體材料。

　　矽基半導體受限矽材料的物理性質，而氮化鎵、碳化矽則因導通電阻遠小於矽基材料，導通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉換效率。

挾著高頻、高壓等優勢，加上導電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導體應用，近來在5G、電動車等需求推升下，氮化鎵等材料崛起成為半導體材料明日之星。

　　不過，其實氮化鎵材料廣為人知，是始於LED領域，1993年時，日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN)，開發出具高亮度的藍光LED，人類也因此湊齊可發出三原色光的LED。

　　5G推升氮化鎵擁高頻等優勢而崛起

　　LED領域發光發熱後，近來受惠5G、電動車應用推升，對高頻率、高功率元件需求成長，市場對氮化鎵的討論聲浪再度高漲。

氮化鎵主要應用於600至1000伏特的電壓區間，具備低導通電阻、高頻率等優勢，可在高溫、高電壓環境下運作，但主要優勢仍在於高頻率元件，在高壓與高功率表現上，雖優於矽基材料，但不如碳化矽材料表現亮眼。

　　從應用面來看，氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電，為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。

　　由於5G技術採用更高的操作頻率，業界看好，GaN元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體(LDMOS)，成為5G基站主流技術；且在手機功率放大器(PA)方面，因GaN材料具備高頻優勢，未來也可望取代砷化鎵製程，成為市場主流。

　　現行的GaN功率元件，以GaN-on-Si(矽基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化矽基氮化鎵)2種晶圓為主，雖然GaN-on-SiC性能相對較佳，但價格大幅高於GaN-on-Si，也使GaN-on-Si仍為目前市場主流，主要應用於電力電子領域，未來可望大幅導入5G基地台的功率放大器(PA)。

　　看準龐大需求晶圓代工廠積極搶進

　　看準了氮化鎵這個機會，中國廠商正在積極推進。

首先從台廠進度來看，磊晶矽晶圓廠嘉晶6吋GaN-on-Si磊晶矽晶圓，已進入國際IDM廠認證階段，並爭取新訂單中；而同屬漢磊投控集團的晶圓代工廠漢磊科，則已量產6吋GaNonSi晶圓代工，瞄準車用需求；晶圓代工龍頭台積電也已提供6吋GaN-on-Si晶圓代工服務。

　　至於GaN-on-SiC磊晶晶圓，則在散熱性能上具優勢，適合高溫、高頻操作環境，主要應用在功率半導體的車用、工業與消費型電子元件領域，少量應用於通訊射頻領域。

目前GaN-on-SiC晶圓可做到4吋與6吋，未來可望朝8吋推進，惟磊晶技術主要集中在碳化矽晶圓大廠Cree手中，其在SiC晶圓市占率高達6成之多，幾乎獨霸市場。

　　不過，在晶圓代工產能方面，三五族半導體晶圓代工廠穩懋已開始提供6吋GaN-on-SiC晶圓代工服務，應用瞄準高功率PA及天線；而環宇-KY也擁有4吋GaN-on-SiC高功率PA產能，且6吋GaN-on-SiC晶圓代工產能已通過認證。

　　晶圓代工廠世界先進也在GaN材料上投資超過4年時間，持續與設備材料廠Kyma、及轉投資GaN矽基板廠Qromis攜手合作，著眼開發可做到8吋的新基底高功率氮化鎵技術GaN-on-QST，今年可望有小量樣品送樣，初期主要瞄準電源領域應用。

　　5G應用推升氮化鎵材料需求，而除站穩矽晶圓代工龍頭、砷化鎵晶圓代工龍頭寶座外，台廠在第三代半導體材料上，當然也不能缺席，包括矽晶圓代工廠、三五族半導體晶圓代工廠，均積極布局氮化鎵領域，以迎接5G時代下的半導體材料新革命。

　　當然在國內方面，也有多家廠商在大力投入，期望儘快看到他們開花結果的那天。

　　來源：鉅亨網