功率半导体、化合物半导体的未来发展及展望

导读：以手机、电脑这些具体的电子产品为例，信息半导体是这些产品的大脑 和神经，负责感知、运算、操纵等，实现电子产品的设计功能；而功率半导 体则是这些产品的心脏和血脉，负责将合适的电能传输给每一个用电终端。传统硅半导体因自身发展局限和摩尔定律限制，需寻找下一世代半导体材料，而化合物半导体材料的高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合未来半导体发展所需，终端产品趋势将由5G通讯、车用电子与光通讯领域等应用主导。

功率半导体，即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产业； 与功率半导体这个概念相对应的，则是更为大众所熟知的依托微电子技术、 保持小功率的特点、以信息处理为核心的信息半导体产业。

以手机、电脑这些具体的电子产品为例，信息半导体是这些产品的大脑 和神经，负责感知、运算、操纵等，实现电子产品的设计功能；而功率半导 体则是这些产品的心脏和血脉，负责将合适的电能传输给每一个用电终端。

而当我们放眼一条完整的从电能产生到电能最终被用电终端应用的电力 传输链时，功率半导体则更类似于一名“厨师”的角色。它负责将发电设备 产生的、电压和频率杂乱不一的粗电“加工”成电压、频率统一的工频电， 再将“加工好”的工频电“烹饪”成拥有不同电压、电流、频率等电能参数 的特定电来满足各个用电终端的不同“口味”。 需要特别注意的是，我们这里提到的用电终端，并不是电脑、手机这些 终端设备，而是指电脑、手机里的传感器、摄像头这类的功能终端。

功率半导体的“厨师”职能，从本质上来说，是通过利用半导体的单向 导电性实现的电源开关和电力转换的功能。电源开关功能，顾名思义，指实现电力传输某一具体环节的导通和关断； 而电力转换功能则是指通过变压、变频、直交流转换等实现特定电的转换， 具体又分为AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC四种形式（AC:交流；DC:直流）正是功率半导体这看似简单的电源开关和电力转换功能，通过多样化的 组合方式，实现了“粗电”向“精电”的转换，从而满足了现代生活中复杂 的用电需求。因此，我们可以毫不夸张地说，当今世界一切涉及发电、输电、变电、 配电、用电、储电的事宜都离不开功率半导体。

功率半导体伴随着电力的运用而诞生，自然也就随着社会电气化程度的 加深而发展。而社会电气化程度的提高又主要源于两个方面：应用领域的广 泛化与应用形式的精密化。 应用领域的广泛化一方面是指新型应用的诞生，代表性的应用包括智能 手机、可穿戴设备等；另一方面是指越来越多传统领域的电气化，代表性的 应用比如过去10 年间实现对传统灶具部分替代的电磁炉、未来的电动汽车与 物联网等。 而应用形式的精密化则是指对用电终端的供电，从原来粗犷地向所有用 电终端统一直供，渐渐转化为对每一个用电终端的精确化控制，代表性的产 品比如电源管理芯片、负载开关等。

从功率半导体的发展轨迹来看，高功率、高频率（小型化）与低功耗是 技术演进的方向，但三者的关系有层次之分：不同应用场景对功率的硬性要 求不同，在满足特定功率要求的基础上，新的技术、工艺都在尽量追求小型 化和低功耗。例如新能源汽车等新兴应用市场对高功率半导体的需求巨大， 但GTO等前代功率器件在在体积（重量）、功耗层面性能不足，而以 IGBT 为代表的新型功率器件在保证实现高功率的基础上保持了小型化和相对低功 耗的特点，进而成为主流的高功率器件。

对于国内的功率半导体厂商而言，由于“进口替代”这一特殊市场空 间的存在，尽管IDM从长远来看无疑是最优的选择，但我们认为短期内设计 厂商可以利用晶圆代工厂的技术积累，通过聚焦于设计领域的研发，快速提 升产品的性能与规模，在同等的资金投入下相较于IDM厂商更容易把握“进 口替代”进程，取得快速发展。

根据现行化合物半导体元件供应链，元件制程最初步骤由晶圆制造商选择适当特性的基板（Substrate），以硅、锗与砷化镓等材料作为半导体元件制程的基板，基板决定后再由磊晶厂依不同元件的功能需求，于基板上长成数层化合物半导体的磊晶层，磊晶层成长完成后，再透过IDM厂或IC设计、制造与封装等步骤，完成整体元件的制造流程，最终由终端产品厂商组装和配置元件线路，生产手机与汽车等智慧应用产品。

元件产品依循化合物半导体材料特性（如耐高温、抗高电压、抗辐射与可发光）加以开发，将终端市场分为5个领域：电源控制（Power Control）、无线通讯（Wireless）、红外线（Infrared）、太阳能（Solar）与光通讯（Photonics）。

以电源控制为例，由于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等材料有不错的耐高电压和高频特性，因此适合用于制造功率因素校正（Power Factor Correction，PFC）和高压功率放大器（High Voltage Power Amplifier，HVPA）等高功率元件，是现阶段支撑化合物半导体电源控制领域的重要指标。

在太阳能和光通讯方面，由于砷化镓（GaAs）材料具备较佳的能源转换率，以及适合接收来自红光和红外光等波段讯号，因此适合开发太阳能电池（Photovoltaics）和光侦测器（Photonic Detection）等应用场域。

近年手机通讯领域蓬勃发展，带动无线模块关键零组件滤波器（Filter）、开关元件（Switch）与功率放大器（Power Amplifier）等元件需求成长；而砷化镓材料因具有低噪声、低耗电、高频与高效率等特点，已广泛应用于手机通讯并占有重要地位，带动砷化镓磊晶需求逐年提升。

在国防领域，现阶段对红外光的需求（如红外光热影像和高功能夜视镜）以中、长波长红外光（LWIR、MWIR）等军事领域为主，同样带动砷化镓磊晶需求。在生物和医疗领域，由磷化铟（InP）材料作为雷射光源的关键核心，使得相关磊晶需求看涨。整体而言，将化合物半导体多元的材料特性应用于相关元件领域中，可产生许多新的可能性，带动磊晶产业持续发展。

现行化合物半导体商用磊晶制程技术，大致可分成MOCVD（有机金属气相沉积法）和MBE（分子束磊晶技术），若以成长技术而论，MOCVD成长条件由气相方法进行，透过氢气（H2）或氮气（N2）等特定载气（Carrier Gas）引导，使三族（III A）和五族（V A）气体均匀混合后，再导入反应腔体中，接着透过适当的反应温度（400～800度），让气体裂解并成长于基板上。MBE成长条件则透过元素加热方式，借由超高真空环境的腔体，将所需磊晶元素加热升华形成分子束，当分子束接触基板后，就可形成所需磊晶结构。

若以量产速率分析MOCVD和MBE磊晶设备的优缺点，MOCVD为气相方式导入反应腔体，其速度较MBE快1.5倍（MBE需时间加热形成分子束）；但以磊晶质量来说，由于MBE可精准控制分子束磊晶成长，因此相较MOCVD有较佳结果。

观察现行磊晶厂发展趋势，虽MBE所需成本较高且速度较慢，但符合国防和光通讯领域等高精密元件产品需求。目前化合物半导体的IDM厂，大多选择以MBE磊晶设备为成长方式，除了IDM厂外，磊晶代工厂英商IQE和IET，亦选用MBE作为厂内磊晶设备。

另一方面，由于MOCVD采用气相成长方式，可快速且大范围进行磊晶成长，虽然其磊晶质量稍不如MBE，但对需要大量、大面积磊晶成长的元件产品有吸引性，例如太阳能电池元件等。目前全球化合物半导体磊晶厂中，主要有6成厂商选择可大范围成长的MOCVD机台；另外4成则选择高精密性的MBE设备。

根据2018年全球化合物磊晶厂预估营收占比可知，全球化合物半导体磊晶产业营收已超过4.9亿美元，且英商IQE营收占整体比例约44%，与2016年营收维持相同比例，稳居磊晶龙头宝座；排名第二的联亚，2018年预估占比依然维持在16%（同2016年）。此外，全新光电营收占比，由2017年17%降至2018年预估的14%；全球MBE磊晶第二大厂IET（英特磊）营收，则由2017年7%降至2018年预估的5%，其衰退原因与中美贸易战和全球手机销售不如预期有关，使得市占率小幅衰退。

针对化合物半导体未来的终端市场需求，依照不同元件特性可分为传输和无线通讯的5G芯片、耐高温与抗高电压的车用芯片，以及可接收和回传讯号的光通讯芯片三大领域。借由5G芯片、车用芯片与光通讯芯片的元件开发，将带动未来磊晶厂营收和资本支出，确立未来投资方向。

由化合物半导体发展趋势可知，未来元件需求将以高速、高频与高功率等特性，连结5G通讯、车用电子与光通讯领域的应用，突破硅半导体摩尔定律限制。

硅半导体元件因受限于电子迁移率（Electron Mobility）、发光效率与环境温度等限制，难以满足元件特性需求，因此当化合物半导体出现，其高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，为元件发展的未来性提供新契机。随着科技发展，化合物半导体的元件制程技术亦趋成熟，传统硅半导体的薄膜、曝光、显影与蚀刻制程步骤，皆已成功转置到化合物半导体上，有助于后续半导体产业持续发展。

关于无线通讯领域的未来发展，现行厂商已逐渐由原先4G设备更新至5G基础建设，5G基地台的布建密度将更甚4G，且基地台内部使用的功率元件，将由宽能带氮化镓功率元件取代DMOS（双重扩散金氧半场效晶体管）元件。在基地台建置部分，目前已集中在IDM厂（如Qorvo、Cree与日本住友电工），且各代工大厂相继投入，导致市场竞争激烈；此外，中国厂商原先欲借由并购国外大厂进入氮化镓代工市场，却因国防安全为由受阻，因此现阶段中国厂商对氮化镓基地台的发展受限。

为提升无线通讯质量，5G通讯市场将以较小功率消耗和较佳电子元件等特性为目标而努力，因此选择砷化镓和磷化铟等化合物半导体材料，作为PA（功率放大器）和LNA（低噪音放大器）等射频元件（Radio Frequency，RF）。

整体而言，由于砷化镓射频元件市场多由IDM厂（如Skyworks、Qorvo与Broadcom）把持，因此只有当需求超过IDM厂负荷时，才会将订单发包给其他元件代工厂，对其他欲投入元件代工的厂商而言则更困难。由于中国手机市场对射频元件的国内需求增加，且预期5G手机渗透率将提升，或许中国代工厂商的射频制程技术提升后，可趁势打入砷化镓代工供应链，提高射频元件市占率。

在车用芯片部分，由于使用环境要求（需于高温、高频与高功率下操作），并配合汽车电路上的电感和电容等，使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大，透过化合物半导体中，宽能带半导体材料氮化镓和碳化硅等特性，将有助实现缩小车用元件尺寸。

借由氮化镓和碳化硅取代硅半导体，减少车用元件切换时的耗能已逐渐成为可能。以氮化镓和碳化硅材料作为车用功率元件时，由于宽能带材料特性，可大幅缩减周围电路体积，达到模块轻量化效果，且氮化镓和碳化硅较硅半导体有不错的散热特性，可减少散热系统模块，进一步朝车用轻量化目标迈进。

此外，车用芯片对光达（LiDAR）传感器的应用也很重要，为了实现自动驾驶汽车或无人车技术，先进驾驶辅助系统（ADAS）中的光达传感器不可或缺，透过氮化镓和砷化镓磊晶材料满足其元件特性，作为光达传感器所需。

在光通讯芯片领域方面，为了解决金属导线传递讯号的限制和瓶颈，因而开发以雷射光在光纤中作为传递源的概念，突破原先电子透过金属缆线下容易发生电阻和电容时间延迟（RC Delay）现象，且借由雷射光快速传递和讯号不易衰退特性，使得硅光子技术（Silicon Photonics）逐渐受到重视。

由于光通讯芯片对光收发模块的需要，PD（光侦测器）与LD（雷射侦测器）等模块需求上升，带动砷化镓与磷化铟磊晶市场。此外，近年手机搭配3D感测应用有明显成长趋势，带动VCSEL（垂直腔面发射激光器）元件需求增加，砷化镓磊晶也逐步升温，未来3D感测用的光通讯芯片，其应用范围除了手机，亦将扩充至眼球追踪技术、安防领域（Security）、虚拟实境（VR）与近接识别等领域。

虽然2018年手机销售量相较2017年略为衰退，且2019年手机销售量将趋于保守，但近年因Apple手机的3D感测技术受到重视，带动非Apple阵营加速导入3D感测市场，促使VCSEL需求增温，对光通讯领域的元件需求有增加趋势，带动2018年部分磊晶厂资本支出成长。

2019年手机销售量可能下滑和5G手机预估渗透率偏低等情形，将影响手机元件市场（如PA和LNA）与磊晶厂营收表现，现阶段5G通讯领域还有待电信营运商的基地台建置和开发市场，2019年营收成长有限，将连带影响磊晶厂部分营收。

车用芯片由于使用环境较为严苛与需承受高电压和高温等条件，多选择氮化镓和碳化硅等化合物半导体；而电动车市场未来将持续小幅成长，带动车用功率半导体元件需求，进而推升氮化镓和碳化硅磊晶营收成长。

此外，先进驾驶辅助系统的光达元件需求逐年提升，促使氮化镓和砷化镓磊晶需求增温，整体而言，未来车用化合物芯片的需求将逐步增加，成为磊晶市场持续成长的主要动能之一。