VCSEL 車電 5G 看化合物半導體

化合物半導體主要包括 GaAs (砷化鎵), GaN (氮化鎵), SiC (碳化矽) 等一系列非矽半導體材料, 主要用來制造 LED, PA (功率放大器), 光通信, VCSEL, 車用功率器件等, 現有矽半導體性能無法解決的產品.

矽晶圓制造是將需提純的多晶矽和需要摻雜的物質放入坩堝融化, 再拉制成單晶矽棒. 而化合物半導體則是通過磊晶工藝 (Epitaxy) , 由於化合物半導體大尺寸晶棒非常困難, 所以目前工業上最多只能制作 6” 的晶圓.

磊晶工藝包含 LPE (液相磊晶), MBE (分子束磊晶) 及主流的 MOCVD (有機金屬氣相磊晶), 載流氣體攜帶兩種活潑有機反應物的飽和蒸汽, 在經過適當溫度的襯底基板上, 附著於基板上並發生相互反應, 形成化合物結晶體.

氮化鎵和碳化矽並稱為第三代半導體材料的雙雄. 氮化鎵具有禁帶寬度大, 擊穿電場高, 飽和電子速率大, 熱導率高, 化學性質穩定和抗輻射能力強等優點, 成為高溫, 高頻, 是大功率微波器件的首選材料之一.

目前氮化鎵器件大多用於軍工電子, 在民用領域, 氮化鎵基站 PA 的功放效率較其他材料更高，因而能節省大量電能, 且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段, 功率密度大, 能夠減少基站體積和重量.

隨著摩爾定律逼近極限, 技術與資金壁壘日漸提高, 廠商多選擇 Fabless (無晶圓廠) 模式輕裝追趕. 英飛淩, TI,  AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分制造, 封測外包, 轉向 Fab-Lite (輕晶圓廠) 甚至 Fabless 模式.

研究機構 Yole  數據顯示, 2017 年氮化鎵射頻市場規模為 3.8 億美元, 將於 2023 年增長至 13 億美元複合增速為 22.9%. 下游應用結構整體保持穩定, 以通訊與軍工為主, 二者合計占比約為 80%.

以 SiC 為材料的功率元件未來有望在車電領域取代 Si. 目前 SiC 晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯, 以致 SiC 器件可靠性下降, 價格昂貴. 預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進.

IHS 預測到 2025 年 SiC 功率半導體的市場規模將達到 30 億美元. SiC 器件將開始大範圍地應用於工業及電動汽車領域. 電力電子占據了最大的市場份額, 市場增長的主要驅動因素是由於電源供應和逆變器應用.

用於光通信系統和 3D 成像的紅外光源可分為發光二極管 (LED), 邊射型雷射 (EEL) 和垂直面射型雷射 (VCSEL), VCSEL 的出射光更集中, 光斑更對稱, 同時在溫度漂移和腔面反射率上也更占優勢.