《产业分析》氮化镓RF高技术门槛 砷化镓厂有优势

继砷化镓厂晶圆代工厂—环宇-KY(4991)入股晶成半导体后，宏捷科(8086)及磊晶厂—IET-KY(4971)近日亦相继宣布与中美晶(5483)及韩国IVWorks公司策略联盟，希望透过打群架方式在即将来临的氮化镓庞大商机中占有一席之地，只是无论是GaN-on-Si(矽基氮化镓)，还是GaN-on-SiC(碳化矽基氮化镓)，从上游基板、长晶到下游晶圆代工，每一环节都具有高技术门槛，没有三两三，恐怕还是很难上梁山。

对三五族半导体厂来说，氮化镓(GaN)算是历史悠久的重要技术，自1990年后就大量应用在LED、雷射二极体等，近两年电动车渗透率提升，且5G时代来临，无论是强调高频高速的射频应用，还是大功率电力领域，氮化镓(GaN)挟优良性能快速崛起，根据市调机构预估，2020年到2022年GaN市场规模年复合成长率高达60%，而两大主流技术：GaN-on-Si和GaN-on-SiC更成为兵家必争之地，吸引各大半导体厂积极布局，国内砷化镓厂也锁定RF领域抢进，只是想要抢搭GaN-on-Si，甚至化合物半导体界的「法拉利」—GaN-on-SiC绝非易事，如：稳懋(3105)董事长陈进财所说，「想做不等于能做，要做得好更须要真功夫」。

相较于矽晶圆半导体采用矽材料生产，单一材料物理特性在制造过程中变数相对较少，所生产的电晶体如同开关，可以微缩，适合应用在高速运算，化合物半导体非单一元件，不同材料有不同的物理特性，必须靠不断地化学实验找出最佳的效能，需要时间及经验累积，也因此，砷化镓厂切入氮化镓领域比矽晶圆厂更具优势，尤其是RF相关应用，这也是CREE在SiC基板遥遥领先重要原因，只是即使具有优势，要跻身GaN-on-SiC供应商，无论是磊晶或晶圆代工，均是层层考验、关关难过。

首先，在关键的基板部分，据业界表示，由于生长高质量单晶SiC基板的生长温度高达摄氏2000度或更高，连Cree都花30多年的时间才能掌握150mm SiC(碳化矽)基板、关键SiC基板制造技术，Cree在产能、品质及专利布局都居世界第一，即使是日本住友电工等大厂都难以望其项背，国内厂商这两年才开始跨入SiC基板，恐怕还要很长一段时间才能生产出具可靠度的基板。

稳懋总经理陈国桦表示，氮化镓与矽晶圆制程最大差别，基本上元件制程差异非常大，有特别的欧姆接触制程和闸极和场板制程与一般矽制程差异有显著差异，需特别发展开发，但后端(back-end)铝铜制程可共用，另一个必须具备晶圆磨薄和晶片背面后端开孔与晶片切割制程，这都与传统矽晶圆制程不同，也是矽晶圆厂跨入SiC基板的挑战。

在微波高功率放大器的应用中，对比矽、砷化镓材料，氮化镓能提高电压操作、电子速度高，并且具有高压电下能够提供输出高电流，因此非常适合在高频率的基站功率放大器；唯一问题，就是没有适合的基板来进行前端(front-side)半导体制程，在可商用取得的基板中，矽晶圆和碳化矽晶圆是最为适合；由于碳化矽(SiC)与GaN的晶格常数最为接近，因此成长氮化镓的品质最好，可靠度最高，同时碳化矽的导热最好，对于高功率放大器的效率和可靠度非常有帮助，目前4吋基本成熟，业界开始往6吋发展。

至于矽基板唯一的好处就是成本低，大部份一开始都以6吋发展，但可靠度和散热不好，目前在大功率放大器市场还没看到有太好表现；另一个问题是，由于晶格常数和氮化镓差异过大，在微波放大器应用需要将基本研磨到50~100um，因此在研磨基板的过程产生的高应力会使得良率及可靠度受到影响，因此氮化镓矽晶板制程可能不太适合往8吋发展。

宏捷科也认同砷化镓厂跨入氮化镓具有优势！宏捷科总经理黄国钧表示，GaN制程有60%与pHEMT制程相似，且砷化镓厂对RF的特性已经研究20年，对RF元件的问题解决及特性的优化比Silicon厂更有经验，GaNfor RF应用，应该还是砷化镓厂比较容易上手。