砷化鎵IC之產業簡評

砷化鎵半導體是無線通訊及光纖通訊的關鍵元件，因其高頻特性較矽半導體佳，因此多使用在手機射頻模組中，隨著無線通訊產業的成長而快速成長，依據Compound Semiconductor資料，1999年砷化鎵IC市場規模約為16.10億美元，預估2004年可成長至48.90億美元，年複合成長率約為25%，其需求主要動力將來自3G手機、短距離無線通訊模組、光纖主動元件及汽車應用。

本文從砷化鎵的材料特性及製程技術切入，簡介砷化鎵應用及市場概況，並對其競爭技術如矽半導體（Si/ SiGe）或磷化銦半導體（InP）作簡單介紹，最後再簡介砷化鎵廠商概況。本文主要結論如下

1. 砷化鎵元件應用將集中在1~40GHz的產品，因此HBT及pHEMT的發展是觀察的重心：HBT主要應用在行動電話及無線區域網路等較低頻的無線通訊產品，pHEMT則應用在較高頻的無線通訊產品，如寬頻衛星服務、區域多點配置服務、汽車防撞雷達等。
2. 三種半導體技術（Si CMOS/Bipolar、SiGe HBT/BiCMOS、GaAs HBT/MESFET/pHEMT）的應用範圍各不相同：Si製程仍可望在1~2 GHz以下被使用，但在1~20 GHz頻段中，SiGe在元件特性及成本考量下，似乎將逐漸被優先採用，至於在較高頻段，如20 GHz以上頻率，則將仍是以GaAs為主，此外InP也已有商品推出，由於其高頻特性佳，因此被看好運用在40GHz以上的頻段。
3. 因砷化鎵元件是非常客製化的，因此砷化鎵元件製造商需與下游模組及系統業者緊密合作：例如PA與LNA與手機性能息息相關，因此手機製造廠會與PA或LNA供應商密切合作。
4. 從RFMD發表的最新產品及TriQuint 與Sawtek合併的狀況可看出，砷化鎵大廠未來競爭的方向將在整合型晶片領域；此外這些砷化鎵大廠為提供更完整更具競爭力的產品線，它們皆會發展GaAs以外的製程技術，如SiGe或InP技術以滿足客戶的需求。
5. 在全球景氣不佳情況下，全球砷化鎵大廠皆有裁員關廠等動作，短期間所接訂單仍將優先填滿自有晶圓廠的產能，因此在短期間這些IDM大廠釋出訂單的可能性並不高，但將來景氣好轉時，將有一定的產能需要外購。
6. 台灣廠商看好GaAs產業前景，在砷化鎵IC設計、磊晶、代工、封裝、測試等領域皆有許多廠商投入，如何撐過這段不景氣時期，並取得訂單將是觀察重點。

半導體可以分為元素半導體（矽、鍺等）與化合物半導體（GaAs、GaP、InP、AlGaAs等）兩類，因其材料的不同，其使用的用途也有所不同，在半導體市場中最重要的元素是矽，因矽半導體市值約為整體半導體市值的95%，其他則為化合物半導體，化合物半導體是由鎵、銦、鋁等Ⅲ族及砷、磷等Ⅴ族元素化合物構成，其中以砷化鎵技術較成熟，應用也較廣，在我們分析砷化鎵半導體之前，我們先對砷化鎵材料與矽材料的特性作簡單比較。

表一：矽與砷化鎵材料特性比較表

資料來源：寶來證券研發部整理

我們發現砷化鎵材料的電子遷移率約為矽半導體的5倍，最大頻率範圍高達300GHz，因此適用於高頻傳輸，在無線通訊如手機、基地台、無線區域網路、藍芽裝置、衛星通訊、衛星定位等皆有應用，但由於砷化鎵的元件整合性低及成本較高，因此其應用被侷限在射頻端的功率放大器（PA）或低雜訊放大器（LNA）等，並在較低頻率上面臨矽半導體的競爭，如矽CMOS製程的改進及SiGe半導體技術的開發。

砷化鎵製程技術主要可分為金屬半導體場效電晶體（MESFET）、假性高速電子移動電晶體（pHEMT）、異質接面雙極電晶體（HBT）三種我們將其比較如下：

表二：砷化鎵半導體各製程技術比較

資料來源：寶來證券研發部整理

MESFET是最早的砷化鎵技術，主要以離子植入法製造，不需要長磊晶（Epi），因此其成本較低，其缺點是元件尺寸大、較耗電、輸出功率及增益效果較差，限制其在高頻及行動通訊上的應用，目前主要應用在中低頻元件上。

pHEMT與MESFET的結構相近，同樣都是FET結構，主要不同是pHEMT在基板上多一層磊晶層，使其比MESFET元件尺寸較小、且具有較高的頻率（1~100 GHz）及較佳的輸出功率與性能，如噪音較HBT小，但因成本較高，因此在1~20GHz頻段元件上競爭不過HBT元件，僅在20GHz以上頻段較HBT具競爭力。

HBT為類似雙載子（Bipolar）的結構，其三極（射極、基極與集極）是以垂直方式排列，因此其尺寸較小、製造良率較高、比MESFET的線性佳，且因其不需負閘極電流，因此較省電，故常應用於手機及行動通訊裝置上，成長性頗佳。

因目前砷化鎵元件應用集中在1~40GHz的產品，因此HBT及pHEMT的發展是觀察的重心。

在對砷化鎵材料及元件有初步瞭解後，我們對目前砷化鎵的市場概況作簡單介紹如，下表所示：

表三：砷化鎵半導體應用市場及元件

資料來源：寶來證券研發部整理

由上表配合上述各元件技術的比較，我們可看到HBT主要應用在行動電話及無線區域網路等較低頻的無線通訊產品，至於pHEMT則應用在較高頻的無線通訊產品，如寬頻衛星服務、區域多點配置服務、汽車防撞雷達等。

此外我們將砷化鎵元件的主要市場及成長因素等整理如下表：

表四：砷化鎵半導體應用市場

資料來源：寶來證券研發部

我們發現砷化鎵主要應用在無線通訊及光纖通訊上，兩應用市場合計佔砷化鎵市值約80%，因此砷化鎵景氣與無線通訊及光纖息息相關，自2000年下半年起，手機景氣不如預期下，砷化鎵產業的景氣也受到很大的影響，目前市場的焦點集中在3G手機市場的開拓，可否獲得消費者青睞，使無線通訊產業再大幅成長，除手機市場外，目前在許多較小的應用領域如衛星通訊、汽車防撞等仍呈現大幅成長狀況，新的應用也在開發中，業界估計配合3G手機的流行，砷化鎵景氣將在2003年復甦。

就整體砷化鎵半導體市場來看，依據Compound Semiconductor資料，1999年砷化鎵IC市場規模約為16.10億美元，預估2004年可成長至48.90億美元，年複合成長率約為25%，其需求主要動力來自3G手機、短距離無線通訊模組、光纖主動元件及汽車應用。

圖一：砷化鎵半導體市場規模

資料來源：Compound Semiconductor, 1/ 2000

在上述簡介砷化鎵材料元件特性及市場後，為更清楚了解砷化鎵市場，我們必須對其競爭技術，即矽半導體（CMOS，BiCMOS）、矽鍺（SiGe）半導體及磷化銦（InP）半導體作介紹，它們近期在製程及元件結構上的改進，使其在高頻、電子遷移率、製造良率等特性上獲得很大進步，我們將在此節作介紹。

矽半導體依其結構可分為MOS及Bipolar兩類，MOS目前主流為CMOS，因其構造簡單、成本低、容易微細化及高集積化、耗電少的優點，主要應用在記憶體、微電腦、邏輯IC上，成為矽半導體的主流，CMOS的缺點是速度比Bipolar慢，其頻率及雜訊特性較Bipolar差，因此Bipolar主要應用在無線通訊上，由於無線通訊高頻及晶片整合性的要求，近期也有由Bipolar與CMOS組合而成的BiCMOS。以下我們將幾種常見的高頻製程比較如下表：

表五：矽半導體與砷化鎵半導體製程技術比較

資料來源：寶來證券研發部整理

從上表我們發現各種RF IC製程技術各有所長，如Si製程在成本及整合度上較具優勢，GaAs製程則在高頻特性上較具優勢，SiGe則在各特性上皆具有相當優勢，由於GaAs製程本質上不易大量生產、整合性差、無法作成系統單晶片、與Si製程無法相融下，因此只要Si或SiGe能在高頻特性上符合要求，則在成本及整合度考量下，必將從低頻至高頻逐漸取代GaAs 的地位。

目前這三種半導體技術（Si CMOS/Bipolar、SiGe HBT/BiCMOS、GaAs HBT/MESFET/pHEMT）的應用範圍各不相同，Si製程仍可望在1~2 GHz以下被使用，但在1~20 GHz頻率下，SiGe在元件特性及成本考量下，似乎將逐漸被優先採用，至於在較高頻段，如20 GHz以上頻率，則將仍是以GaAs為主，此外InP也已有商品推出，由於其高頻特性佳，因此被看好運用在40GHz以上的頻段，如mmWave上之應用。

矽半導體CMOS因深次微米製程的進步，使其頻率特性大為改進，如Atheros Communications在2000年9月推出以CMOS製程製造的無線電雙晶片，支援5GHz WLAN的IEEE802.11a規格，此外也有公司積極研發BiCMOS技術，如飛利浦在2001年2月推出Qubic4 BiCMOS技術，提供符合3 G手機所需的RF晶片，預估在2001年第三季推出標準產品，日本Toshiba也用0.15μm CMOS製程做成截止頻率高達42GHz 、Nfmin=1.4dB（at 2 GHz）的RF IC，但仍有較耗電及尺寸較大的弱點有待克服。

至於矽鍺半導體，它可分為HFET（Heterojunction Field Effect Transistor）與HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）兩類，IBM為矽鍺半導體的領導廠商，在1998年研發出65 GHz矽鍺HBT後，已開發許多整合型的無線通訊晶片，IBM並與阿爾卡特、西門子、北方電訊、摩托羅拉、Qualcomm等全球主要半導體通訊廠商簽下技轉合約，使其可以矽鍺技術研發相關晶片，目前SiGe半導體技術進步快速，其截止頻率由原本的30 GHz提升至130GHz以上（一般放大器的最高工作頻率約為截止頻率的十分之一左右），其兼具砷化鎵高頻、低消耗功率及矽半導體良率高、成本低及易與CMOS整合成BiCMOS的優點，正逐漸被應用在射頻IC上。

現階段SiGe產品種類不多，生產量也少，但從其應用用途分析，一般推測其未來發展空間甚大，根據ITIS及IC Insight資料，SiGe半導體1999年市場規模約為0.25億美元，預測至2004年將有9億美元的市值，如下圖所示，年平均成長年約為104%。

圖二：矽化鍺半導體市場規模 單位：百萬美元

資料來源：ITIS及IC Insight, 12/ 2000

此外在較高頻（>40 GHz）的頻段上，近期磷化銦（InP）化合物半導體的發展值得重視，最近陸續有幾家公司如TRW等發表以4吋晶圓量產InP半導體。

我們在上述簡介砷化鎵半導體之製程技術及市場後，我們發現砷化鎵主要是作為高頻（1~100GHz）元件，是無線通訊射頻模組中不可或缺的元件，在簡介砷化鎵相關廠商前，我們認為有必要先簡介射頻模組的結構，然後再來看砷化鎵公司的發展概況。

目前射頻模組依其功能可分為傳送器與接收器兩部份，接收器包括頻率多工器（Diplexer）、收發切換開關（T/R switch）、表面聲波濾波器（SAW Filter）、低雜訊放大器（LNA）、合成器（Mixer）等，傳送器則包括合成器（Mixer）、功率放大器（PA）天線等元件，目前射頻模組的架構為多晶片與被動元件組成之模組，整合性差、尺寸較大、且成本較高，所使用的元件可能包括矽半導體及砷化鎵半導體等，為因應市場對整合型晶片的需求，各大RF IC大廠所推出的整合解決方案不盡相同，但可確定的是SiGe製程將逐漸扮演更重要的角色。

在射頻模組中砷化鎵半導體的用途主要是作為PA及LNA，因該元件要求小型化、高效率、高頻化、高線性、低耗電等特性，正是砷化鎵半導體的特性，而這也是目前矽半導體較難替代的部份，依Dataquest 資料，1999年PA供應商的市場佔有率以美國的RFMD、Conexant、Motorola及日本的Hitachi為主，其佔有率分別為19.3%、18.5%、17.2%、14.4%，合計約70%，代表PA市場的集中度相當高，主要原因是該元件與手機規格息息相關，且其品質對該手機的性能具有重大影響，因此手機製造廠會與PA供應商密切合作，如RFMD的主要客戶為Nokia，少部份供應給Ericsson、Samsung、 Qualcomm等，Conexant則以CDMA系統為主，其主要客戶為Ericsson 及韓國Samsung等，Motorola則採自給自足的策略，日本手機所用的PA則主要由Hitachi供應。

在LNA部份，領導廠商為TriQuint，估計其在LNA市場佔有率約為50%，它在2001年5月份宣布與SAW Filter大廠Sawtek合併，顯然著眼於日後雙方元件的整合。

我們可以從大廠開發產品的方向來看砷化鎵廠商的發展方向，如2001年6月初，手機射頻積體電路RF IC大廠RFMD （RF Micro Devices）發表最新手機接收器晶片RF3404，該晶片內含低雜訊放大器、SAW filter與混波器等，使其體積更小、外接元件更少，特別值得注意的是該晶片是以矽鍺為材料，彰顯其元件整合性佳的優點，也暴露砷化鎵材料元件整合性差的缺點，由於2001年手機及通訊產業成長不如預期，在競爭加劇下，降低成本成為主要課題，因此手機晶片的整合性格外受到重視。

在目前全球景氣不佳及無線通訊網路市場需求不振下，全球砷化鎵大廠皆有裁員關廠等動作，但所接訂單仍優先填滿自有晶圓廠的產能，因此在短期間這些IDM大廠釋出訂單的可能性並不高，但因無線通訊的趨勢將持續，因此新的市場及應用也將一直被開發，我們也發現美國有許多砷化鎵IC設計公司成立，整體砷化鎵IC市場未來的發展仍相當好，未來也將有一定的產能需要外購。

台灣廠商看好此一外購趨勢，因此有許多廠商進入該產業，我們將其列於下表：

表六：台灣砷化鎵產業相關廠商

資料來源：寶來證券研發部

目前台灣在砷化鎵磊晶方面已有全新及博達獲得大廠訂單，營運穩定成長，此外約有5家廠商進軍砷化鎵晶圓代工產業，但砷化鎵代工產業所面臨的問題顯然較多，首先是其製程良率不易控制，美日大廠在選擇外包廠商時，在認證上耗時久，且因需求量不大，因此也不會選擇太多家廠商，另外因目前砷化鎵元件應用市場仍不大，主要仍由幾家IDM大廠主控，因此訂單來源是一關鍵問題，我們可發現個別公司皆針對幾家主要客戶作服務，如宏捷對Conexant、尚達對三菱等，在手機成長趨緩下，IDM廠釋出訂單速度有待觀察，較好的發展應在2003年配合3G手機的換機效果而成長。