:::

產業技術評析

高頻通訊元件用化合物半導體材料產業初探
發表日期:2021-04-14
作者:張致吉(工研院)
摘要:
通訊的發展綿延不斷,除了滿足人類基本需求外,已漸漸擴展到自動化的各種應用,在跨國工作及移民等普及下,更因為通訊技術不斷的增進,促使人與人之間的距離逐漸打破遠距國界的隔閡。

全文:

前言

 

通訊的發展綿延不斷,除了滿足人類基本需求外,再結合電腦與機械,已漸漸擴展到自動化的各種應用,如智慧化生產、智慧化家庭、電網、城市、交通與機器人等,未來消費市場的成長與需求動能將更朝向多元化發展,包括:教育、金融以及醫療等,在跨國工作及移民等普及下,更因為通訊技術不斷的增進,促使人與人之間的距離逐漸打破遠距國界的藩籬與年齡的隔閡。

 

2020年又因為肺炎疫情(COVID-19)的侵襲,使得智慧化網路需求加劇,為了因應後疫情的變革與人類生活習性的改變,未來更需要靠數位轉型來引導經濟的成長,而通訊技術更是數位化的引擎,值此各國在嚴重的地緣政治氛圍下,貿易紛爭不斷,美國又帶頭領導各國禁止高科技產品出口,致使我國挑戰下世代通訊技術將面臨更嚴峻的考驗,投入下世代通訊技術中最關鍵的零組件與上游化合物半導體材料正是當今首要課題。

 

一、 化合物半導體概述

 

化合物半導體是兩種或更多種物質的化合材料,通常是屬於高性能的半導體材料,也由於是將兩種或多個元素組合而成的半導體型態,其特徵在於它們具有寬能隙的現象,因此它們具有比矽(傳統半導體材料)高的電子遷移率,以及具有光發射/光接收的功能,經常被當作高頻元件和功率元件以及光學元件。從化合物或兩種以上的元素化合而成的定義來看:化合物半導體有III-V族、II-VI族和IV-IV族等三族群的半導體。它們具有廣泛的應用範圍,而主要應用是高頻通訊元件、功率元件、光電元件和太陽能電池等,其應用如圖一所整理。

 

圖一 化合物半導體與應用全貌

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2021/3)

圖一 化合物半導體與應用全貌

 

二、 化合物半導體與應用市場

 

化合物半導體市場主要有元件市場和晶圓市場,而元件市場又含高頻元件,光學元件和功率元件。最近幾年化合物半導體市場因下世代通訊應用需求增加而變得更加活躍,例如與5G/B5G通訊相關基礎建設的投資,使得應用在射頻線路的高頻元件再度倍受關切;與數據中心相關的設備投資,諸如數據中心光通訊傳輸用的光學元件,因既有的矽基元件無法滿足其需求,因此化合物半導體元件成為唯一的所選。在應用於5G/B5G通訊的高頻元件中,隨著頻段變得越來越高,具有高電子遷移率的化合物半導體元件開始取代矽基的高頻元件,並從5G基地台通信的頻段開始進入市場,而預料未來,應用在高頻通訊的化合物半導體元件更將成為主流。

 

此外,諸如感測器的新應用以及下世代行動終端產品的功率元件應用引發大多數研發人員的關注。在感測應用中,如光學雷達掃描儀(LIDAR)的光學感測和安裝在智慧型手機中的顏面識別系統以及毫米波雷達的高頻感測也同時引發關注。對於功率元件的應用,從電動車、發電機以及各種能源相關的應用興起後,預料電源開關、逆變器(Inverter)、充電器等元件將在電源周邊的應用市場會展開蓬勃的需求。

 

圖二	化合物半導體與應用市場

資料來源:富士經濟(2020)

圖二 化合物半導體與應用市場

 

從圖二的統計分析可以了解:在化合物半導體應用市場中,高頻元件已成為市場需求最多的品項。這是由於基地台數量增加以及每座基站的裝載元件數量增加所致。另外,隨著汰換舊基站而取代原有矽基高頻元件的採用,以化合物半導體為基材的高頻元件市場比重將增加。由於5G通訊基礎建設中前段基礎的發展以及由於傳輸流量增加而導致的數據中心容量增加並且高速通訊的增加,以雷射二極體(Laser Diod,簡稱LD)為中心的光學元件市場也已經在擴大中。氧化鎵(Ga2O3)和鑽石等材料最近也引起了新的關注。儘管與其他化合物半導體相比,全方位啟動有所延遲,但作為電源周圍的功率元件應用,卻已引起大眾注意。  

 

三、 高頻元件相關技術趨勢

 

在使用化合物半導體的高頻元件市場中,越來越多基站的PA中採用氮化鎵(GaN)高頻元件,這已成為市場的驅動力。關於5G相關的基礎建設正在緊鑼密鼓地進行,並且隨著頻帶的上升,GaN高頻元件的採用率有望提高。 GaN高頻元件主要用於2.5 GHz以上的頻率。此外,於低頻段高輸出的4G通訊用宏碁站仍少不了它。通訊基站射頻元件(Radio Frequency,簡稱RF元件)目前看到是以(註)GaN on SiC相關材料為主要晶片,已知有部分供應商也已開發出(註)GaN on Si晶片的元件,但目前尚未大量進入市場。(註:以磊晶的技術在SiC 晶片或 Si晶片上長一層GaN的薄膜材料) 

 

目前,砷化鎵(GaAs)的高頻元件已被用於移動終端的功率放大器中已有多年的歷史,並已成為僅次於GaN高頻元件的第二大市場。而以矽鍺(SiGe)為基材的高頻元件主要用於低雜訊放大器(Low Noise Amplify,簡稱LNA)用於接收機線路中,預計也將會在5G通訊毫米波頻段中用於基站功率放大器(Power Amplify,簡稱PA)。磷化銦(InP)的高頻元件正處於研發階段,但作為在太赫茲波段(Tera Hertz)是否能實現高頻通訊的6G通訊用元件,正引起人們的關注。此外,正在開發作為功率器件引起關注的Ga2O3元件,以替代微波爐用磁控管。

 

圖三 高頻元件相關趨勢

資料來源:富士經濟 (2020)

圖三 高頻元件相關趨勢

 

5G通訊需求下,天線基座的數量在增加,因為網絡配置集中在5G通信的C-RAN網絡上。另外,隨著從5G通訊開始認真採用作為多元素天線的Massive MIMO天線,每個天線安裝的RRH的數量也在增加。而每個RRH安裝的功率放大器(PA)的數量從3個階段減少到1~2個階段,因為Massive MIMO天線具有多個元件,每個RRH的輸出量很少。然而,於較高的頻帶,小於10W的低輸出,到目前為止,以Si基為主的高頻元件在4G通訊中仍有很高的市佔率,以GaN當基底的高頻元件則被用於數十瓦的中階輸出,目前是市場的趨勢。

 

四、 結論

 

化合物半導體由於是將兩種或多個元素組合而成的半導體型態,有寬能隙的現象,具有比矽高的電子遷移率,以及具有光發射/光接收的功能,經常被當作高頻元件和功率元件以及光學元件,材料型態大致有III-V族、II-VI族與IV-IV族。市場談論主要分元件市場和晶圓市場,而元件市場又以功能發揮分為高頻、光學和功率等三個不同面相的應用。因為下世代通訊應用需求增加,高頻元件變得更加活躍,尤其在5G/B5G通訊的相關基礎建設方面,隨著頻段變得越來越高,具有高電子遷移率的化合物半導體元件開始有取代矽基的高頻元件的趨勢,並從5G基地台通訊的頻段開始進入市場,未來應用在高頻通訊的化合物半導體元件更將被關注。

 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)

 


* 點閱數3295
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁