砷化鎵未來在手機(jī)PA市場(chǎng)的發(fā)展?jié)撃?doc

砷化鎵未來在手機(jī)PA市場(chǎng)的發(fā)展?jié)撃苌榛壩磥碓谑謾C(jī)PA市場(chǎng)的發(fā)展?jié)撃?砷化鎵未來在手機(jī)PA市場(chǎng)的發(fā)展?jié)撃?上) 主筆室 為了迎接數(shù)位化(digitization)時(shí)代來臨，通訊成為臺(tái)灣未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主角，其中無線、光纖通訊的蓬勃發(fā)展更是帶動(dòng)了通訊產(chǎn)業(yè)的起飛，砷化鎵元件產(chǎn)業(yè)也因此逐漸崛起，成為國(guó)內(nèi)熱門的科技產(chǎn)業(yè)。特別在行動(dòng)電話上，砷化鎵的耗量低，比矽晶片更優(yōu)秀，成為行動(dòng)電話中的核心零件。此外，由於砷化鎵半導(dǎo)體的頻率範(fàn)圍高達(dá)2-300GHz，在未來配合LMDS、VSAT等微波、毫米波通訊上的發(fā)展趨勢(shì)，砷化鎵將有更大的發(fā)揮空間。 砷化鎵介紹與矽特性比較 曾幾何時(shí)，矽晶圓由於其原料取得容易、元件製程穩(wěn)定的特性，較易製做出便宜、高整合性及均一性的元件，而成為大部份積體電路用的晶圓。然而隨著無線通訊對(duì)高頻化要求提高，其特性已無法滿足，相對(duì)於砷化鎵材質(zhì)特性而言卻找到了發(fā)揮空間。 砷化鎵是族化合物半導(dǎo)體的一種，是目前商業(yè)化腳步最快、應(yīng)用範(fàn)圍最廣的材料，它除了適合製作高亮度紅光及紅外光LED、長(zhǎng)短波長(zhǎng)LD、垂直面射型雷射(VCSEL)之外，另外高頻微波元件則可應(yīng)用在微波及毫米波通訊市場(chǎng)。 砷化鎵材料比矽具有優(yōu)點(diǎn)如下： 1).高電子的傳輸速度，因而可操作頻率範(fàn)圍可達(dá)2300GHz(矽1GHz以下)。 2).能階(bandgap)較寬，故半絕緣性的基板較易獲得，使得電子移動(dòng)速度更快。另外，元件的製成也易達(dá)到耐高電壓的特性。 3).砷化鎵操作溫度範(fàn)圍可達(dá)攝氏200度，不會(huì)因高溫所產(chǎn)生的熱能而影響元件可靠性。 4).高抗輻射性，不易產(chǎn)生信號(hào)失真及錯(cuò)誤情形。 5).對(duì)於微波高頻元件績(jī)效而言，砷化鎵產(chǎn)生的雜訊值低、功率耗損小、功率轉(zhuǎn)換效率(PAE)高、增益值大、線性度佳、元件面積小等特性，適合通訊設(shè)備中的各項(xiàng)產(chǎn)品。 6).具有光能特性，砷化鎵屬化合物半導(dǎo)體，其電子與電洞是採(cǎi)直接復(fù)合方式，復(fù)合過程中以光的形式釋出，因此適合發(fā)光二極體(LED)、雷射二極體(LD)等方面用途。 綜合以上的砷化鎵與矽特性比較來看，以矽而言在於成本低、製程成熟，故在積體電路應(yīng)用能保有其優(yōu)勢(shì)；而對(duì)砷化鎵而言，其特性具輕簿、省電、快速、發(fā)光則適合高頻及光電元件製作。 砷化鎵的製程 依砷化鎵半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的不同，可分為二端接腳元件二極體與三端接腳元件電晶體，而應(yīng)用上則分為光電元件及微波元件。光電元件生產(chǎn)過程是砷化鎵為基板，在基板上成長(zhǎng)不同厚度的材料薄膜，再依LED、LD元件結(jié)構(gòu)需求製作LED晶粒，最後依不同應(yīng)用封裝成各種產(chǎn)品。微波元件生產(chǎn)過程則與矽類似，不過多了一道磊晶的過程，其產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈可分為磊晶、設(shè)計(jì)、光罩、製造、封裝、測(cè)試，最後製成分離元件(discrete devices，如HBT,PHEMT,MESEFT電晶體)或砷化鎵積體電路(GaAs IC)。 生產(chǎn)磊晶片技術(shù)有液相磊晶(LPE)、分子束磊晶(MBE)、有機(jī)金屬氣相磊晶(MOCVD或MOVPE)等方式。LPE主要用於發(fā)光二極體(LED)成長(zhǎng)上，其技術(shù)不能達(dá)到微波元件的要求。MOVCD、 MBE為目前砷化鎵微波元件上的磊晶技術(shù)， MOCVD優(yōu)點(diǎn)具有大量生產(chǎn)能力，但為化學(xué)反應(yīng)方式易產(chǎn)生高溫，無法臨場(chǎng)觀察，造成參數(shù)控制不易，難獲得高品質(zhì)微波元件。MBE為物理反應(yīng)方式，參數(shù)較能掌握，缺點(diǎn)則是機(jī)臺(tái)要抽真空，每年有一個(gè)月不運(yùn)轉(zhuǎn)期，且新運(yùn)轉(zhuǎn)後的磊晶品質(zhì)也較差。另外，在4吋轉(zhuǎn)換生產(chǎn)6吋磊晶晶圓的成本上，MOCVD(1.15倍)的成本也較MBE(2.25倍)低。一般而言，MOCVD 適合生產(chǎn)HBT元件，而MBE技術(shù)大多生產(chǎn)PHEMT元件。 依據(jù)Stategy Analytics統(tǒng)計(jì)(如圖一)，1999年GaAs用MOCVD生產(chǎn)約超過200萬美元其中有89%是賣出在市場(chǎng)上，主要生產(chǎn)地區(qū)為日本佔(zhàn)60%、北美佔(zhàn)33%，日本廠商包括Furukawa Electric、Hitachi cable、ASEC等，而美國(guó)廠商則有Kopin、Aixtron、IQE、Emcore等。MBE生產(chǎn)約170萬美元其中賣出市場(chǎng)僅佔(zhàn)51%，主要生產(chǎn)地為北美62%、日本佔(zhàn)26%，美國(guó)廠商包括IQE、TRW等、日本則以Sumitomo Chemical為代表廠商，另外，MBE生產(chǎn)廠商包括法國(guó)Picogiga、新加坡MBE Technogy及臺(tái)灣博達(dá)等廠商。根據(jù)預(yù)測(cè)GaAs磊晶產(chǎn)值在1999-2003將以年複合成長(zhǎng)率35%快速成長(zhǎng)，到2003年時(shí)MOCVD產(chǎn)值約550萬美元，MBE產(chǎn)值約500萬美元，屆時(shí)磊晶市場(chǎng)上交易的主流將以MOCVD生產(chǎn)方式，而廠商內(nèi)部使用磊晶片以MBE為主。 圖一 MOCVD與MBE的成長(zhǎng)預(yù)測(cè)(19992003年) 微波元件的特性與市場(chǎng)佔(zhàn)有率變化 砷化鎵應(yīng)用在微波積體電路(MMIC) 的主動(dòng)元件可區(qū)分為HBT(異質(zhì)接面雙載子電晶體)、PHEMT(假型高速電子場(chǎng)效電晶體)、MESFET(金屬電半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體)等三種電晶體。其中MESFET、PHEMT結(jié)構(gòu)屬於FET，前者技術(shù)較成熟，不須經(jīng)過磊晶步驟，因此晶圓成本是最低，但在輸出功率與增益效果上較差，限制未來發(fā)展的空間。PHEMT 則滲雜一些磷(In)使電子移動(dòng)速度提高，有較高頻率的操作空間(20GHz以上)及低雜訊、高功率等效益，適合在毫米波通訊如LMDS、VSAT上應(yīng)用。但由於兩者在操作上須雙電壓及待機(jī)電流 drain switch的設(shè)計(jì)，佔(zhàn)掉元件空間及電路設(shè)計(jì)複雜性，因此喪失了手機(jī)功率放大器上的競(jìng)爭(zhēng)力。 而HBT結(jié)構(gòu)類似Biplor，三極(射極、基極、集極)排列為垂直方式，在相同單位內(nèi)下可承受較高電流密度，相對(duì)上可切較小的元件。另外，製程技術(shù)上所要求線寬(um)較低即可達(dá)到高頻效果，操作上僅須單電壓，待機(jī)電流值低不須drain switch設(shè)計(jì)，故元件的整體成本相對(duì)上最低。目前主要應(yīng)用在手機(jī)的功率放大器上。未來砷化鎵微波元件發(fā)展重心將以PHEMT、HBT為主，並在手機(jī)及毫米波通訊市場(chǎng)找到各自發(fā)揮的空間。 砷化鎵應(yīng)用市場(chǎng)分析 因砷化鎵具有光電、微波元件等特性，其應(yīng)用範(fàn)圍可包含發(fā)光二極體、雷射二極體、光纖通訊、無線通訊等四大市場(chǎng)，而所延伸出的相關(guān)應(yīng)用的市場(chǎng)或產(chǎn)品更是廣泛。 依Strategy Analytics調(diào)查1999年砷化鎵IC應(yīng)用市場(chǎng)，其中無線通訊、光纖通訊就各佔(zhàn)62%、18%，以無線通訊應(yīng)用上來看，砷化鎵在行動(dòng)電話中射頻IC所佔(zhàn)的產(chǎn)值約7.5億美元，是目前帶動(dòng)GaAs快速成長(zhǎng)的主因，預(yù)估2003年時(shí)將成長(zhǎng)至15億美元，相信未來五年內(nèi)砷化鎵在行動(dòng)電話射頻中功率放大器(PA)上仍然繼續(xù)扮演關(guān)鍵角色。 另外，在未來兩、三年後隨著光纖普及化及商業(yè)衛(wèi)星數(shù)目增加下，也將帶動(dòng)WLAN、LMDS、DBS等產(chǎn)品需求，屆時(shí)砷化鎵將掀起另一波成長(zhǎng)高潮。就Compound semiconductor 預(yù)測(cè)1999-2003年GaAs應(yīng)用產(chǎn)品的成長(zhǎng)率上來看，以衛(wèi)星通訊成長(zhǎng)潛力最大，年複合成長(zhǎng)率達(dá)57%，其他無線通訊上應(yīng)用如汔車防撞系統(tǒng)、電信通訊、無線數(shù)據(jù)傳輸、個(gè)人通訊系統(tǒng)也有20%50%年複合成長(zhǎng)率。 綜上所論，目前砷化鎵微波元件發(fā)展重心在於行動(dòng)電話應(yīng)用，本文接著將探討行動(dòng)電話射頻IC中PA未來發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)規(guī)模及全球市場(chǎng)概況，以提供國(guó)內(nèi)相關(guān)砷化鎵廠商參考之用。 砷化鎵在行動(dòng)電話PA扮演舉足輕重角色 就行動(dòng)電話結(jié)構(gòu)可分成基頻、中頻與射頻三大部份，而射頻(RF)主要功能是接收或發(fā)送高頻的通訊訊號(hào)，如圖八。當(dāng)訊號(hào)自天線接收後經(jīng)過接收端的收發(fā)開關(guān)(Switch)做為對(duì)訊號(hào)的接收與發(fā)送切換，接著再透過低雜訊功率放大器(LNA)將訊號(hào)的功率放大，之後經(jīng)由混頻器(mixer)將訊號(hào)降頻交由中頻來處理。 傳送訊號(hào)的運(yùn)作流程則與接收訊號(hào)相反，主要不同在於發(fā)送端是利用功率放大器(PA)將訊號(hào)功率放大傳送出去。發(fā)送端的PA與接收端的LNA的主要差異是在於PA要求功率轉(zhuǎn)效率(power add effiency,PAE)要好、增益效果大、線性度佳，才能使手機(jī)操作上較省電、訊號(hào)品質(zhì)能較好。相對(duì)上而言，PA對(duì)於訊號(hào)雜訊處理上則不像LNA來得重視。 簡(jiǎn)言之，射頻主要功能區(qū)可分為接收端與發(fā)送端，接收端元件包括Switch、LNA、Mixer，目前所使用材料有Si 、GaAs PHEMT,MESEFT，但面對(duì)未來新技術(shù)SiGe(矽鍺)所提供元件績(jī)效佳、成本低、高整合性角度來看，將取代目前所使用的材料，進(jìn)而將Antenna,Switch,LNA,Mixer等元件整合為單一接收端的晶片。 對(duì)於發(fā)送端PA來說，目前仍有使用Si所製成模組，但其所提供元件績(jī)效已不符合目前及未來手機(jī)高頻化、低耗電的技術(shù)潮流。以CDMA手機(jī)為例， 使用GaAs PA所能提供PAE值約50%，可使通話時(shí)間持續(xù)180-200分鐘，而Si PA所能達(dá)到PAE值約25%，以致於消耗電量高，減低通話時(shí)間(約GaAs一半)及電池壽命。另外，就手機(jī)操作而言，PA是最關(guān)鍵的主動(dòng)元件，其消耗手機(jī)電量約佔(zhàn)67成，易產(chǎn)生熱量，因此在選用元件材料時(shí)，重點(diǎn)在於線性與省電效果，而目前唯一達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)只有GaAs HBT與增強(qiáng)型E-PHEMT。 目前PA約有八成是應(yīng)用在手機(jī)上，其它的應(yīng)用產(chǎn)品如數(shù)據(jù)機(jī)、呼叫器等，而手機(jī)內(nèi)至少須一顆PA(雙模手機(jī)兩顆)，所以隨著手機(jī)需求量的增加，PA也呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)的現(xiàn)象，依據(jù)富士綜研調(diào)查指出全球1999年生產(chǎn)PA的量約3億顆，而至2004年P(guān)A需求將成長(zhǎng)至11多顆。其中GaAs PA在1999年時(shí)約佔(zhàn)2億多顆(約76%)，且隨著CDMA、3G等手機(jī)對(duì)PA績(jī)效的要求愈嚴(yán)格的條件下，GaAs發(fā)展空間則愈大，估計(jì)至2004時(shí)約有9億多顆(佔(zhàn)83%)的需求量。 隨著消費(fèi)者對(duì)手機(jī)功能需求逐漸提高下，如原先2G手機(jī)功能只有語音、短訊服務(wù)已不能滿足人們對(duì)無線通訊的慾望，後來發(fā)展到2.5G時(shí)具有上網(wǎng)瀏覽、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，未?G所提供服務(wù)除了包括語音、數(shù)據(jù)、影像傳輸之外，更重要與網(wǎng)際網(wǎng)路結(jié)合，扮演數(shù)據(jù)、多媒體傳輸服務(wù)的角色。對(duì)於未來手機(jī)功能性的提高，代表著在傳輸速度技術(shù)上也要提昇，將促使手機(jī)朝向高頻化的發(fā)展，以達(dá)到短時(shí)間內(nèi)傳送大量資料。 整體而言，未來手機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是朝向多功能、高頻化、輕簿短小、省電的特性，相對(duì)上PA技術(shù)的要求則是往小型化、高效率、低耗電方向發(fā)展。對(duì)於砷化鎵而言，所能提供的元件績(jī)效為元件小、高頻化、高線性、高效率、低耗電等效果，都將符合未來手機(jī)及PA發(fā)展的趨勢(shì)。依據(jù)Cahners In-Stat統(tǒng)計(jì)未來各類型手機(jī)PA的需求量，目前2G手機(jī)PA應(yīng)用上以GSM體系為主，產(chǎn)量約2億顆(佔(zhàn)75%)，但隨著CDMA體系、2.5&3G手機(jī)需求的增加，成長(zhǎng)率逐漸下降，至2004時(shí)約佔(zhàn)全部手機(jī)16%。另外，在2002年時(shí)2.5G手機(jī)發(fā)展逐漸成熟，使得3G手機(jī)PA需求量有下滑現(xiàn)象，不過在2004年時(shí)手機(jī)市場(chǎng)主流將以2.5G與3G為主。 PA為高集中度的市場(chǎng) 依Dataquest統(tǒng)計(jì)1999年P(guān)A供應(yīng)商的市場(chǎng)佔(zhàn)有率，以美國(guó)的RF MD、Conexant、Motorola及日本Hitachi為市場(chǎng)上領(lǐng)導(dǎo)廠商，佔(zhàn)有率分別為19.3%,18.5%,17.2%,14.4%。換言之，前四大廠商合計(jì)市場(chǎng)佔(zhàn)有率為69.4%，代表著PA市場(chǎng)的集中度率高，是經(jīng)濟(jì)上所定義的寡佔(zhàn)市場(chǎng)。 就PA廠商的客戶角度來分析，全球龍頭廠商RFMD主要是生產(chǎn)GSM系統(tǒng)的 PA為主，大部份PA是供應(yīng)給Nokia(約佔(zhàn)RF MD營(yíng)收70%以上)，少部份則供應(yīng)給Ericsson、Samsung、Qualcomm。全球第三大廠Conexant發(fā)展策略則是供應(yīng)CDMA系統(tǒng)的PA為主，主要客戶是Ericsson、韓國(guó)的Samsung，少部份則供應(yīng)給Motorola、Nokia。手機(jī)和半導(dǎo)體大廠Motorola而言，則是採(cǎi)取自給自足的策略，本身生產(chǎn)GaAs IC和PA。另外，就PA上游GaAs廠商來看，北美PA廠商幾乎都是生產(chǎn)GaAs IC的大廠。而在日本方面，日本手機(jī)用的PA主要是由Hitachi來提供，而上游GaAs供應(yīng)商則包含F(xiàn)ujitsu、Mistusbish、NEC等大廠。 以砷化鎵的微波元件角度來看，目前成長(zhǎng)動(dòng)力是來自於手機(jī)蓬勃發(fā)展，未來隨著LMDS、VSAT等毫米波通訊應(yīng)用將有另一波成長(zhǎng)空間，相對(duì)上GaAs HBT、PHEMT元件較能符合手機(jī)和毫米波通訊所要求的績(jī)效，逐漸成為未來發(fā)展的重心。就元件磊晶的技術(shù)方面來講，MOCVD、MBE兩者的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但未來趨勢(shì)是GaAs在市場(chǎng)的磊晶片將以MOCVD為主，而MBE則是廠商內(nèi)部使用為主。 另外，就手機(jī)PA市場(chǎng)需求面來看，目前2G手機(jī)PA上游原料GaAs HBT有供給過多的現(xiàn)象，造成價(jià)格有下滑的趨勢(shì)。對(duì)於GaAs廠商而言，在投入PA的過程中是一項(xiàng)警訊指標(biāo)，未來應(yīng)朝向彈性化、客製化的產(chǎn)品，以開拓未來2.5G、3G手機(jī)的新與市場(chǎng)。在PA市場(chǎng)供給面來看，大多數(shù)廠商是屬於垂直整合(IDM)廠商，並與手機(jī)客戶保持良好關(guān)係。然而，對(duì)於臺(tái)灣廠商以垂直分工方式切入GaAs產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)在於：磊晶廠本身須提高磊晶片品質(zhì)以獲得GaAs 大廠RF MD、Conexant的認(rèn)證，例如國(guó)內(nèi)磊晶廠全新獲得Conexant的認(rèn)證。代工製造廠則應(yīng)致力於6吋晶圖及產(chǎn)品良率提昇的技術(shù)，以爭(zhēng)取手機(jī)或GaAs IC大廠的訂單，例如國(guó)內(nèi)宏捷獲得Conexant技術(shù)支援和訂單挹注。換言之，臺(tái)灣發(fā)展策略應(yīng)著眼在與國(guó)際大廠維持良好的合作關(guān)係，並加強(qiáng)研發(fā)與製程上的投入，發(fā)展出更多樣的砷化鎵產(chǎn)品，以因應(yīng)未來無線通訊市場(chǎng)的需求。 什么是 HBTHBT是一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構(gòu)成的雙極晶體管。異質(zhì)結(jié)是兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材