砷化镓未来在手机PA市场的发展潜能.doc

砷化鎵未來在手機PA市場的發展潛能砷化鎵未來在手機PA市場的發展潛能 砷化鎵未來在手機PA市場的發展潛能(上) 主筆室 為了迎接數位化(digitization)時代來臨，通訊成為台灣未來產業發展的主角，其中無線、光纖通訊的蓬勃發展更是帶動了通訊產業的起飛，砷化鎵元件產業也因此逐漸崛起，成為國內熱門的科技產業。特別在行動電話上，砷化鎵的耗量低，比矽晶片更優秀，成為行動電話中的核心零件。此外，由於砷化鎵半導體的頻率範圍高達2-300GHz，在未來配合LMDS、VSAT等微波、毫米波通訊上的發展趨勢，砷化鎵將有更大的發揮空間。 砷化鎵介紹與矽特性比較 曾幾何時，矽晶圓由於其原料取得容易、元件製程穩定的特性，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高頻化要求提高，其特性已無法滿足，相對於砷化鎵材質特性而言卻找到了發揮空間。 砷化鎵是族化合物半導體的一種，是目前商業化腳步最快、應用範圍最廣的材料，它除了適合製作高亮度紅光及紅外光LED、長短波長LD、垂直面射型雷射(VCSEL)之外，另外高頻微波元件則可應用在微波及毫米波通訊市場。 砷化鎵材料比矽具有優點如下： 1).高電子的傳輸速度，因而可操作頻率範圍可達2300GHz(矽1GHz以下)。 2).能階(bandgap)較寬，故半絕緣性的基板較易獲得，使得電子移動速度更快。另外，元件的製成也易達到耐高電壓的特性。 3).砷化鎵操作溫度範圍可達攝氏200度，不會因高溫所產生的熱能而影響元件可靠性。 4).高抗輻射性，不易產生信號失真及錯誤情形。 5).對於微波高頻元件績效而言，砷化鎵產生的雜訊值低、功率耗損小、功率轉換效率(PAE)高、增益值大、線性度佳、元件面積小等特性，適合通訊設備中的各項產品。 6).具有光能特性，砷化鎵屬化合物半導體，其電子與電洞是採直接復合方式，復合過程中以光的形式釋出，因此適合發光二極體(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，故在積體電路應用能保有其優勢；而對砷化鎵而言，其特性具輕簿、省電、快速、發光則適合高頻及光電元件製作。 砷化鎵的製程 依砷化鎵半導體結構上的不同，可分為二端接腳元件二極體與三端接腳元件電晶體，而應用上則分為光電元件及微波元件。光電元件生產過程是砷化鎵為基板，在基板上成長不同厚度的材料薄膜，再依LED、LD元件結構需求製作LED晶粒，最後依不同應用封裝成各種產品。微波元件生產過程則與矽類似，不過多了一道磊晶的過程，其產業的供應鏈可分為磊晶、設計、光罩、製造、封裝、測試，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)。 生產磊晶片技術有液相磊晶(LPE)、分子束磊晶(MBE)、有機金屬氣相磊晶(MOCVD或MOVPE)等方式。LPE主要用於發光二極體(LED)成長上，其技術不能達到微波元件的要求。MOVCD、 MBE為目前砷化鎵微波元件上的磊晶技術， MOCVD優點具有大量生產能力，但為化學反應方式易產生高溫，無法臨場觀察，造成參數控制不易，難獲得高品質微波元件。MBE為物理反應方式，參數較能掌握，缺點則是機台要抽真空，每年有一個月不運轉期，且新運轉後的磊晶品質也較差。另外，在4吋轉換生產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HBT元件，而MBE技術大多生產PHEMT元件。 依據Stategy Analytics統計(如圖一)，1999年GaAs用MOCVD生產約超過200萬美元其中有89%是賣出在市場上，主要生產地區為日本佔60%、北美佔33%，日本廠商包括Furukawa Electric、Hitachi cable、ASEC等，而美國廠商則有Kopin、Aixtron、IQE、Emcore等。MBE生產約170萬美元其中賣出市場僅佔51%，主要生產地為北美62%、日本佔26%，美國廠商包括IQE、TRW等、日本則以Sumitomo Chemical為代表廠商，另外，MBE生產廠商包括法國Picogiga、新加坡MBE Technogy及台灣博達等廠商。根據預測GaAs磊晶產值在1999-2003將以年複合成長率35%快速成長，到2003年時MOCVD產值約550萬美元，MBE產值約500萬美元，屆時磊晶市場上交易的主流將以MOCVD生產方式，而廠商內部使用磊晶片以MBE為主。 圖一 MOCVD與MBE的成長預測(19992003年) 微波元件的特性與市場佔有率變化 砷化鎵應用在微波積體電路(MMIC) 的主動元件可區分為HBT(異質接面雙載子電晶體)、PHEMT(假型高速電子場效電晶體)、MESFET(金屬電半導體場效電晶體)等三種電晶體。其中MESFET、PHEMT結構屬於FET，前者技術較成熟，不須經過磊晶步驟，因此晶圓成本是最低，但在輸出功率與增益效果上較差，限制未來發展的空間。PHEMT 則滲雜一些磷(In)使電子移動速度提高，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上應用。但由於兩者在操作上須雙電壓及待機電流 drain switch的設計，佔掉元件空間及電路設計複雜性，因此喪失了手機功率放大器上的競爭力。 而HBT結構類似Biplor，三極(射極、基極、集極)排列為垂直方式，在相同單位內下可承受較高電流密度，相對上可切較小的元件。另外，製程技術上所要求線寬(um)較低即可達到高頻效果，操作上僅須單電壓，待機電流值低不須drain switch設計，故元件的整體成本相對上最低。目前主要應用在手機的功率放大器上。未來砷化鎵微波元件發展重心將以PHEMT、HBT為主，並在手機及毫米波通訊市場找到各自發揮的空間。 砷化鎵應用市場分析 因砷化鎵具有光電、微波元件等特性，其應用範圍可包含發光二極體、雷射二極體、光纖通訊、無線通訊等四大市場，而所延伸出的相關應用的市場或產品更是廣泛。 依Strategy Analytics調查1999年砷化鎵IC應用市場，其中無線通訊、光纖通訊就各佔62%、18%，以無線通訊應用上來看，砷化鎵在行動電話中射頻IC所佔的產值約7.5億美元，是目前帶動GaAs快速成長的主因，預估2003年時將成長至15億美元，相信未來五年內砷化鎵在行動電話射頻中功率放大器(PA)上仍然繼續扮演關鍵角色。 另外，在未來兩、三年後隨著光纖普及化及商業衛星數目增加下，也將帶動WLAN、LMDS、DBS等產品需求，屆時砷化鎵將掀起另一波成長高潮。就Compound semiconductor 預測1999-2003年GaAs應用產品的成長率上來看，以衛星通訊成長潛力最大，年複合成長率達57%，其他無線通訊上應用如汔車防撞系統、電信通訊、無線數據傳輸、個人通訊系統也有20%50%年複合成長率。 綜上所論，目前砷化鎵微波元件發展重心在於行動電話應用，本文接著將探討行動電話射頻IC中PA未來發展趨勢、市場規模及全球市場概況，以提供國內相關砷化鎵廠商參考之用。 砷化鎵在行動電話PA扮演舉足輕重角色 就行動電話結構可分成基頻、中頻與射頻三大部份，而射頻(RF)主要功能是接收或發送高頻的通訊訊號，如圖八。當訊號自天線接收後經過接收端的收發開關(Switch)做為對訊號的接收與發送切換，接著再透過低雜訊功率放大器(LNA)將訊號的功率放大，之後經由混頻器(mixer)將訊號降頻交由中頻來處理。 傳送訊號的運作流程則與接收訊號相反，主要不同在於發送端是利用功率放大器(PA)將訊號功率放大傳送出去。發送端的PA與接收端的LNA的主要差異是在於PA要求功率轉效率(power add effiency,PAE)要好、增益效果大、線性度佳，才能使手機操作上較省電、訊號品質能較好。相對上而言，PA對於訊號雜訊處理上則不像LNA來得重視。 簡言之，射頻主要功能區可分為接收端與發送端，接收端元件包括Switch、LNA、Mixer，目前所使用材料有Si 、GaAs PHEMT,MESEFT，但面對未來新技術SiGe(矽鍺)所提供元件績效佳、成本低、高整合性角度來看，將取代目前所使用的材料，進而將Antenna,Switch,LNA,Mixer等元件整合為單一接收端的晶片。 對於發送端PA來說，目前仍有使用Si所製成模組，但其所提供元件績效已不符合目前及未來手機高頻化、低耗電的技術潮流。以CDMA手機為例， 使用GaAs PA所能提供PAE值約50%，可使通話時間持續180-200分鐘，而Si PA所能達到PAE值約25%，以致於消耗電量高，減低通話時間(約GaAs一半)及電池壽命。另外，就手機操作而言，PA是最關鍵的主動元件，其消耗手機電量約佔67成，易產生熱量，因此在選用元件材料時，重點在於線性與省電效果，而目前唯一達到此標準只有GaAs HBT與增強型E-PHEMT。 目前PA約有八成是應用在手機上，其它的應用產品如數據機、呼叫器等，而手機內至少須一顆PA(雙模手機兩顆)，所以隨著手機需求量的增加，PA也呈現快速成長的現象，依據富士綜研調查指出全球1999年生產PA的量約3億顆，而至2004年PA需求將成長至11多顆。其中GaAs PA在1999年時約佔2億多顆(約76%)，且隨著CDMA、3G等手機對PA績效的要求愈嚴格的條件下，GaAs發展空間則愈大，估計至2004時約有9億多顆(佔83%)的需求量。 隨著消費者對手機功能需求逐漸提高下，如原先2G手機功能只有語音、短訊服務已不能滿足人們對無線通訊的慾望，後來發展到2.5G時具有上網瀏覽、數據傳輸的功能，未來3G所提供服務除了包括語音、數據、影像傳輸之外，更重要與網際網路結合，扮演數據、多媒體傳輸服務的角色。對於未來手機功能性的提高，代表著在傳輸速度技術上也要提昇，將促使手機朝向高頻化的發展，以達到短時間內傳送大量資料。 整體而言，未來手機發展趨勢是朝向多功能、高頻化、輕簿短小、省電的特性，相對上PA技術的要求則是往小型化、高效率、低耗電方向發展。對於砷化鎵而言，所能提供的元件績效為元件小、高頻化、高線性、高效率、低耗電等效果，都將符合未來手機及PA發展的趨勢。依據Cahners In-Stat統計未來各類型手機PA的需求量，目前2G手機PA應用上以GSM體系為主，產量約2億顆(佔75%)，但隨著CDMA體系、2.5&3G手機需求的增加，成長率逐漸下降，至2004時約佔全部手機16%。另外，在2002年時2.5G手機發展逐漸成熟，使得3G手機PA需求量有下滑現象，不過在2004年時手機市場主流將以2.5G與3G為主。 PA為高集中度的市場 依Dataquest統計1999年PA供應商的市場佔有率，以美國的RF MD、Conexant、Motorola及日本Hitachi為市場上領導廠商，佔有率分別為19.3%,18.5%,17.2%,14.4%。換言之，前四大廠商合計市場佔有率為69.4%，代表著PA市場的集中度率高，是經濟上所定義的寡佔市場。 就PA廠商的客戶角度來分析，全球龍頭廠商RFMD主要是生產GSM系統的 PA為主，大部份PA是供應給Nokia(約佔RF MD營收70%以上)，少部份則供應給Ericsson、Samsung、Qualcomm。全球第三大廠Conexant發展策略則是供應CDMA系統的PA為主，主要客戶是Ericsson、韓國的Samsung，少部份則供應給Motorola、Nokia。手機和半導體大廠Motorola而言，則是採取自給自足的策略，本身生產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GaAs IC的大廠。而在日本方面，日本手機用的PA主要是由Hitachi來提供，而上游GaAs供應商則包含Fujitsu、Mistusbish、NEC等大廠。 以砷化鎵的微波元件角度來看，目前成長動力是來自於手機蓬勃發展，未來隨著LMDS、VSAT等毫米波通訊應用將有另一波成長空間，相對上GaAs HBT、PHEMT元件較能符合手機和毫米波通訊所要求的績效，逐漸成為未來發展的重心。就元件磊晶的技術方面來講，MOCVD、MBE兩者的技術各有優缺點，但未來趨勢是GaAs在市場的磊晶片將以MOCVD為主，而MBE則是廠商內部使用為主。 另外，就手機PA市場需求面來看，目前2G手機PA上游原料GaAs HBT有供給過多的現象，造成價格有下滑的趨勢。對於GaAs廠商而言，在投入PA的過程中是一項警訊指標，未來應朝向彈性化、客製化的產品，以開拓未來2.5G、3G手機的新與市場。在PA市場供給面來看，大多數廠商是屬於垂直整合(IDM)廠商，並與手機客戶保持良好關係。然而，對於台灣廠商以垂直分工方式切入GaAs產業的機會在於：磊晶廠本身須提高磊晶片品質以獲得GaAs 大廠RF MD、Conexant的認證，例如國內磊晶廠全新獲得Conexant的認證。代工製造廠則應致力於6吋晶圖及產品良率提昇的技術，以爭取手機或GaAs IC大廠的訂單，例如國內宏捷獲得Conexant技術支援和訂單挹注。換言之，台灣發展策略應著眼在與國際大廠維持良好的合作關係，並加強研發與製程上的投入，發展出更多樣的砷化鎵產品，以因應未來無線通訊市場的需求。 什么是 HBTHBT是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。异质结是两种带隙宽度不同的半导体材