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化學課上的元素周期表,竟藏著 2 個半導體夯材料:矽、砷化鎵!附上完整產業鏈 ...

6月 2018年28
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(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

「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~

 

 

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