《產業分析》氮化鎵RF高技術門檻 砷化鎵廠有優勢

繼砷化鎵廠晶圓代工廠—環宇-KY(4991)入股晶成半導體後，宏捷科(8086)及磊晶廠—IET-KY(4971)近日亦相繼宣佈與中美晶(5483)及韓國IVWorks公司策略聯盟，希望透過打羣架方式在即將來臨的氮化鎵龐大商機中佔有一席之地，只是無論是GaN-on-Si(矽基氮化鎵)，還是GaN-on-SiC(碳化矽基氮化鎵)，從上游基板、長晶到下游晶圓代工，每一環節都具有高技術門檻，沒有三兩三，恐怕還是很難上梁山。

對三五族半導體廠來說，氮化鎵(GaN)算是歷史悠久的重要技術，自1990年後就大量應用在LED、雷射二極體等，近兩年電動車滲透率提升，且5G時代來臨，無論是強調高頻高速的射頻應用，還是大功率電力領域，氮化鎵(GaN)挾優良性能快速崛起，根據市調機構預估，2020年到2022年GaN市場規模年複合成長率高達60%，而兩大主流技術：GaN-on-Si和GaN-on-SiC更成爲兵家必爭之地，吸引各大半導體廠積極佈局，國內砷化鎵廠也鎖定RF領域搶進，只是想要搶搭GaN-on-Si，甚至化合物半導體界的「法拉利」—GaN-on-SiC絕非易事，如：穩懋(3105)董事長陳進財所說，「想做不等於能做，要做得好更須要真功夫」。

相較於矽晶圓半導體採用矽材料生產，單一材料物理特性在製造過程中變數相對較少，所生產的電晶體如同開關，可以微縮，適合應用在高速運算，化合物半導體非單一元件，不同材料有不同的物理特性，必須靠不斷地化學實驗找出最佳的效能，需要時間及經驗累積，也因此，砷化鎵廠切入氮化鎵領域比矽晶圓廠更具優勢，尤其是RF相關應用，這也是CREE在SiC基板遙遙領先重要原因，只是即使具有優勢，要躋身GaN-on-SiC供應商，無論是磊晶或晶圓代工，均是層層考驗、關關難過。

首先，在關鍵的基板部分，據業界表示，由於生長高質量單晶SiC基板的生長溫度高達攝氏2000度或更高，連Cree都花30多年的時間才能掌握150mm SiC(碳化矽)基板、關鍵SiC基板製造技術，Cree在產能、品質及專利佈局都居世界第一，即使是日本住友電工等大廠都難以望其項背，國內廠商這兩年纔開始跨入SiC基板，恐怕還要很長一段時間才能生產出具可靠度的基板。

穩懋總經理陳國樺表示，氮化鎵與矽晶圓製程最大差別，基本上元件製程差異非常大，有特別的歐姆接觸製程和閘極和場板製程與一般矽製程差異有顯著差異，需特別發展開發，但後端(back-end)鋁銅製程可共用，另一個必須具備晶圓磨薄和晶片背面後端開孔與晶片切割製程，這都與傳統矽晶圓製程不同，也是矽晶圓廠跨入SiC基板的挑戰。

在微波高功率放大器的應用中，對比矽、砷化鎵材料，氮化鎵能提高電壓操作、電子速度高，並且具有高壓電下能夠提供輸出高電流，因此非常適合在高頻率的基站功率放大器；唯一問題，就是沒有適合的基板來進行前端(front-side)半導體制程，在可商用取得的基板中，矽晶圓和碳化矽晶圓是最爲適合；由於碳化矽(SiC)與GaN的晶格常數最爲接近，因此成長氮化鎵的品質最好，可靠度最高，同時碳化矽的導熱最好，對於高功率放大器的效率和可靠度非常有幫助，目前4吋基本成熟，業界開始往6吋發展。

至於矽基板唯一的好處就是成本低，大部份一開始都以6吋發展，但可靠度和散熱不好，目前在大功率放大器市場還沒看到有太好表現；另一個問題是，由於晶格常數和氮化鎵差異過大，在微波放大器應用需要將基本研磨到50~100um，因此在研磨基板的過程產生的高應力會使得良率及可靠度受到影響，因此氮化鎵矽晶板製程可能不太適合往8吋發展。

宏捷科也認同砷化鎵廠跨入氮化鎵具有優勢！宏捷科總經理黃國鈞表示，GaN製程有60%與pHEMT製程相似，且砷化鎵廠對RF的特性已經研究20年，對RF元件的問題解決及特性的優化比Silicon廠更有經驗，GaNfor RF應用，應該還是砷化鎵廠比較容易上手。