化合物半导体磊晶厂的未来发展及展望

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。

化合物半导体市场分析

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。

化合物半导体于终端市场应用

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。

化合物半导体磊晶厂现况

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。

化合物半导体磊晶厂未来发展

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。

终端市场未来走向

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。

▲未来磊晶厂终端产品趋势

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。

磊晶厂未来展望

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。