第二代半導體競爭格局

 第一代半導體, 以矽基半導體材料是目前產量最大, 成本最低, 應用最廣的半導體材料. 第二代化合物半導體, 以砷化鎵和磷化銦等為代表, 是當前僅次於矽之外最成熟的半導體材料, 在 5G 通信, 數據中心, 新一代顯示, 無人駕駛, 穿戴設備, 航太等方面有廣闊的應用前景.


二代半導體產業鏈包括上游的襯底制造, 外延加工, 以及中游的 IC 設計, 制造, 封測和下游應用等環節. 砷化鎵襯底材料主要由 Freiberger, Sumitomo 等供應, 磷化銦襯底材料則由 Sumitomo, 日本 JX 等供應. 外延加工市場則是由 IQE, 全新光電等少數寡頭占據, 但一些 IDM 廠商自己也生產外延片.


砷化鎵+磷化銦器件市場保持較快增長. 根據 ResearchInChina 數據, 2018-2025 年, 全球砷化鎵元器件市場總產值將由 95.19億美元增長至近 160億美元, CAGR近 7.7%. 根據 kbv research 數據, 2017-2027 年全球磷化銦元器件市場規模將由 37億美元增長至 76億美元, CAGR為 9.7%.


砷化鎵襯底 (基板) 可分為半絕緣型和半導體型, 砷化鎵襯底材料的發展趨勢是大直徑, 長尺寸化.全球砷化鎵襯底市場集中度較高, 全球砷化鎵襯底市場主要生產商包括 Freiberger, Sumitomo 和北京通美, 其他國產襯底廠商發展仍處於初級階段.


外延生長是指在經過切, 磨, 拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層有一定要求的, 與襯底晶向相同的單晶層, 猶如原來的晶體向外延伸一段. 新單晶可以與襯底為同一材料, 也可以是不同材料, 由於新生單晶層按襯底晶向延伸生長, 從而被稱之為外延層, 長了外延層的襯底稱為外延片.  MOCVD 和 MBE 外延法各具優勢.


外延廠商多數採用 MOCVD 法, MOCVD 技術生長速率更快, 更適合產業化大規模生產, 頭部外延廠商中 IQE, 全新光電, Hitachi Cable 採用該工藝. MBE 技術生成的外延材料質量好, 但生長的速度較慢, 根據英特磊年報, 全球僅有 IQE 和英特磊兩家專業外延代工廠採用此工藝.


GaAs 射頻市場約 90% 採用外延生產外包模式, 主要由 IQE 和全新光電合供應. LED 市場幾乎均由垂直整合制造等 IDM 廠商占據. 光電子市場商業模式取決於應用: 數據通信市場主要由 Finisar, Avago, II-VI 等 IDM 廠商主導, 智慧手機的 3D傳感和 VCSEL市場則以外延外包為主.


InP 襯底主要分為半導電和半絕緣襯底, 半導電襯底又分為 N型和 P型半導電襯底, 各種摻雜劑的使用, 目的是為器件制造提供不同導電類型的襯底. 半絕緣襯底按照是否摻雜分為摻雜半絕緣襯底和非摻雜半絕緣襯底, 半絕緣襯底主要用於制作射頻器件.


磷化銦單晶生長設備和技術壁壘較高, 全球襯底市場集中度高. 全球磷化銦襯底市場的主要供應商包括 Sumitomo, 日本 JX, 法國 InPac, 英國 WaferTech 等.中國磷化銦制備技術與國際水平差距較大, 中國企業產能規模較小, 大尺寸磷化銦晶片生產能力不足.


全球磷化銦外延片主要有兩種來源: 一種是大型的 IDM 制造商, 包括美國 II-VI, Lumentum, Broadcom 和日本 Sumitomo, Mitsubishi 等公司. 另外一種是專業的外延廠, 包括台灣聯亞光電, 全新光電, 英特磊以及英國 IQE 等公司, 根據 Yole 統計聯亞光電占磷化銦外延片市場份額約 6x%.


磷化銦在兩大應用領域擁有關鍵優勢: 1) 光電子領域: 波長為 1000nm以上的發射和探測能力. 2) 射頻領域: 高頻 RF 應用中的高速和低噪聲性能. 磷化銦在光電子領域主要包括通信類的數據通信和電信通信以及傳感類的穿戴式,  消費電子 3D傳感和汽車光達等應用.


通信是磷化銦光電子領域的主要應用場景, 傳感應用市場或將迎來快速增長. 根據 Yole, 2021-2027 年磷化銦光電子器件市場規模將由 25億美元增長至 56億美元, CAGR 為 14%, 應用於數據通信和電信通信的磷化銦器件市場規模的 CAGR分別為 18%, 6%.


磷化銦可解決智能手機屏幕的痛點, 但應用仍處於初級階段. 智慧手機的 OLED 顯示器在 13xx~15xx nm 的波長範圍內是透明的, 所以若將 GaAs VCSEL 換為 InP EEL, 手機可去除屏幕上的攝像頭凹槽, 將 3D 傳感模組集成到 OLED 屏下.


在 100 GHz以上的帶寬水平, 使用磷化銦基射頻器件在回程網絡和點對點通信網絡的無線傳輸方面具有明顯優勢, 未來在 6G 通信甚至 7G 通信無線傳輸網絡中, 磷化銦襯底將有望成為射頻器件的主流襯底材料. 磷化銦晶體管主要有高電子遷移率晶體管 HEMT 和異質結雙極晶體管 HBT 兩種.


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