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[IEK] 2022-06 IEK360系列|化合物半導體應用趨勢與材料需求.pdf
- 2. ©ITRI. 工業技術研究院著作
產業科技國際策略發展所
1
Material Band
gap
(eV)
Electron
mobility
(cm2/Vs)
Power
density
(W/mm)
Breakdown
voltage
(kV/cm)
Thermal
conductivity
(W/m·K)
Cut off
frequency
(GHz)
Melting
temperature
(°C)
Si 1.12 1500 0.2 300 150 20 1414
SiGe 0.945 7700 1 200 8.3 285 1176
SiC 3.25 900 10 3500 450 20 2730
InP 1.35 5400 1 500 70 300 1062
GaN 3.49 1500 30 3300 150 150 2500
GaAs 1.42 8500 0.5 400 50 150 1238
半導體關鍵特性深深影響下游應用
p 對高功率(High Power)而言:高溫(Melting Temp.)低頻和寬能隙(Wide Band
gap),功率密度(power density)和穿透電壓( breakdown voltage)是最重要
的因素。(SiC 與 GaN)
p 對高頻而言:低功耗和高經濟效益的應用(與mmWave 5G更相關),截止頻
率(Cut off frequency)和電子遷移率(Electron mobility )成為最重要的因素。
• 截止頻率是5G應用的關鍵要求,對於放大器而言,SiC顯然不適合。
• 成本和積體化也是重要因素,Si 技術比GaN或SiGe更易積體化,成本低得
多,在可用空間允許下仍使用Si技術。
• GaN以獨特的高頻特性、超高的功率密度與優越的整合度成為5G技術的核
心元件。(GaN與InP)
資料來源:Lambrechts&Sinha,《關於將EW,Space作為實現技術的Si,SiGe,GaN,SiC,InP和GaAs的綜述》,施普林格,2016年,第301-229頁。
資料來源:工研院產科國際所整理 2021
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2
單
位
:
百
萬
美
元
2019 2020e 2021f 2022f 2023f 2024f 2025f
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
241 259 282 309
253 296 337
914
118
122
148
247
257
309
399
561
885
1,002
1,181
1,308
1,425
1,661
2,046
SiC Wafer InP Wafer GaP Wafer GaN Wafer GaAs Wafer 銷售額合計
CAGR(4.2%)
應用在高頻與高功率元件的晶圓持續成長
CAGR(23.9%)
CAGR(13.9%)
CAGR(13.1%)
(‘25/’19)=CAGR(15.0%)
• 5G需求帶動 GaN的 (25/19) (23.9%),預計2025年的銷售額將比2019 年增長三倍以上,
(2.53億~9.14億美元)。
• SiC (25/19 )(13.9%), (2.57億~5.6億)倍數成長,持續快速成長。
• InP(13.1%),正在響應光通信市場的需求,25/19 市場成長超越2倍(1.18億~2.47億)。
• GaAs(4.2%) ,市場成熟但是仍緩步成長
資料來源:工研院產科國際所整理 2021
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5G的通訊網路將各種虛構情境轉變成實體展現
(資料來源:Evolution from 4G to 5G – January 2022, GSA)
物流
農業
任務
關鍵性
物聯網
工業
物聯網
海量
物聯網
智慧
金融
智慧
醫療
工業
自動化
自駕車
(車聯網)
娛樂
上網
視頻
通話
移動
寬頻
AR/
VR
智慧
城市
遠距
教學
l 2021年底全球5G網路發展現況
l 疫情衝擊下,遠距教學、娛樂上
網、移動寬頻、視訊通話、網上
購物、物流、金融等需求大增。
l 高頻通訊/高速傳輸高功率需求
階段 國家數 營運商數
5G 投資、規劃 145 487
正式商轉 78 200
5G
Standalone
投資、規劃 50 99
正式商轉 19 20
資料來源:工研院產科國際所, 202205 備註:IDTechEx
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關鍵材料 關鍵元件
n 無線元件
• 濾波器
• 天線/天線模組
• 功率放大器
n 傳輸元件
• 光學模組
• 光纖
• 其他元件
n 印刷電路板
n 晶片
n 宏基站
n 小基站
n 核心網
n 天線塔
n 終端產品
ü手機/個人終端
ü客戶場所設備
(CPE)/ 熱點
5G 系統的產業結構
n 關鍵材料趨勢
ü有能力處理高頻
ü低介電常數
ü良好的導熱性
ü低介電損失
n用於RFFEMs的
GaN、GaAs等
材料;增加黃金
在天線中的使用;
從玻璃改為塑料作
為天線的反射器
n現有材料新要求,
如PCB的Cu(更薄
和更光滑的表面)
基礎建設 營運商與用戶
n 5G營運商
• 中華電信
• 遠傳電信
• 台灣大哥大
• 亞太電信
• 台灣之星
資料來源:工研院產科國際所2021
n 用戶端
• 個人
• 機關團體
• 旅館
• 機場
• 等區域
<終端需求>
<下游元件製作>
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5G 基站型態對於PA有不同的技術需求
5G基站(BS)有4種類型:
n Macrocell,Microcell, Picocell ,
Femtocell
n 小基站的理想選擇:
• 更少的網站空間
• 更低的功耗
• 更好的無線電性能
n 傳統材料(GaAs)市場依舊熱絡,新材料
GaN市場起步中
資料來源:IDTech EX report, 2021
Cell Type Number of
Users
覆蓋範圍 Potential PA
Technologies
Femtocell
Picocell
Microcell
Macrocell
1 to 20
20 to 100
100 to
1000
1000+
範圍約10米,通常用於家庭和小型企業
覆蓋如旅館/飛機等小區域
覆蓋特定區域,例如購物中心或運輸樞
紐,通常可達數百米
LTE蜂巢式通信的主要站點
CMOS/SOI, SiGe,GaAs
CMOS/SOI, SiGe,GaAs
GaAs,GaN,CMOS/SOI,
SiGe
GaN,GaAs
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• GaN在射頻市場集中在大功率,高頻市場,以GaN
為基材的MMIC更受關注,因為可以達到線路匹配,
減小系統尺寸並降低成本。
• 市售的GaN MMIC大多以GaN為基材,主要用於軍
事,SatCom和Ka-Band的無線回程網路(backhaul )
中。
RF 應用在化合物半導體概況
SiC MESFET
資料來源:工研院產科國際所整理繪製202105 備註:Yole,IDTech Ex
1000
Output
Power
(W)
100
10
1
0.1
0.1 40 100
Si LDMOS
GaAs MESFET
GaAs HEMT
4 10
GaN MMIC
>300
GaN
RF power
transistor
InP
Frequency(GHz)
Terahertzband
(>100 GHz)
GaAs HBT and BIFET
Microcell
(GaAs,GaN,
CMOS/SOI,
SiGe)
Macrocell
(GaN,GaAs)
Femtocell
Picocell
(CMOS/SOI,
SiGe,GaAs)
SiGe
功率與頻率特性
• 5G已經採用了以下技術
• 商用GaN HEMT PA離散式元件可以提供非常高的功率密度,更
適合應用在低頻RF線路中,如電信,有線寬頻,RF Energy以及
軍用雷達應用中的高功率模組,最高可達4-5 千瓦
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射頻元組件(RF Components)全貌
也道出元件歷程
Si GaAs GaN SiC SiGe
InP
Solid State Electronic Devices Vacuum Electronic Devices
(VEDs)*
RF Devices
* There are numerous vacuum
device types, including Gyrotron,
Klystron, and travelling-wave
tubes ( TWTs).
Wide
bandgap
High charge
density
High electron
mobility
Temperature
tolerance
As a wide bandgap
semiconductor, GaN is
attractive for very high
power and high frequency
RF applications.
資料來源:Yole report,2020
(固態電子元件) (真空電子元件)
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化合物半導體的高頻元件與晶圓相關趨勢
晶圓 應用摘要 相關具特色元件 晶圓尺寸
GaAs
無人搬運車(AGV)/
無人機,行動終端,
AR/VR終端,其他
GaAs HBT
6 ″
競爭對象 Si/LDMOS等
GaN
基地台 GaN/SiC,GaN HEMT 4 ″ , 6 ″
其他
民生用微波爐
GaN/Si,GaN/SiC,GaN HEMT 6 ″, <8 ″
競爭對象
• Si/LDMOS等
• Si基的 PA適用於<3.5 GHz頻段, <100 W的
低輸出功率。基於Si的高頻器件是驅動器放大
器的主流
6 ″
SiGe
自駕車
AGV/無人機
基地台
行動終端
AR/VR終端
BiCMOS 6 ″
競爭對象 CMOS取決於Si晶片價格和Ge的價格
InP 基地台
InP 用於100Gb / s傳輸的6G通訊
InP HEMT、InP HBT
≦2 ″ , 3
″
資料來源:工研院產科國際所整理 2021
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相關應用趨勢-5G/6G 通信市場 PA不斷成長
數量
4G/5G基地台 B5G/6G基地台
基地局(=BBU)市場
(2019年e)
134萬座
基站天線市場
(2019年e)
574萬件
天線/基站
×4.3
RRH /天線
×7.7
基地局RRH市場
(2019年e)
4,448萬個
功率放大器/ RRH
× 5.7
基站功率放大器市場
(2019年e)
2.541億個
基站(= BBU)市場
(2025年f)
245萬站
天線/基站
×9.0
基站天線市場
(2025年f)
2,217萬件
RRH /天線
×11.1
基站RRH市場
(2025年f)
24553萬個
功率放大器/ RRH
×2.4
基站功率放大器市場
(2025年f)
5.985億個
CAGR(2025/2019) 10.6%
透過建構 C-RAN
天線數量增加
CAGR(2025/2019) 32.9%
天線總輸出減少
放大器數量減少
CAGR(2025/2019) 25.3%
採用大規模MIMO使
RRH數量增加
CAGR(2025/2019) 15.3%
高頻市場需求
擴大化合物半導體的比例
資料來源:工研院產科國際所整理 2021
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GaN 射頻元件(封裝)市場規模預測
單
位
:
M
U
S
D
2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
375 450 545 660
833 985
1190
426
565
740
922
965
980
992
891.0
1117.0
1409.0
1739.0
1983.0
2175.0
2423.0
Others
Handset
Civil radar
RF Energy
SATCOM
Telecom
Infrastruct
ure
Defense
Application 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 CAGR 20-26
Defense 375 450 545 660 833 985 1190 21%
Telecom Infrastructure 426 565 740 922 965 980 992 15%
SATCOM 54 62 71 82 94 108 124 15%
RF Energy 10 13 16 20 25 30 35 23%
Civil radar 10 11 12 14 15 17 18 10%
Handset 0 0 9 24 34 37 46 51%
Others 16 16 16 17 17 18 18 2%
TOTAL 891.0 1117.0 1409.0 1739.0 1983.0 2175.0 2423.0 18.1%
(20-26) CAGR(18.1%)
資料來源:工研院產科國際所整理 2021 ,備註: Yole report 2021
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應用於RF基板之競爭GaN on SiC目前是領先
資料來源:工研院產科國際所整理 備註:Yole report 2021
12
Sales
volume
Introduction Growth Maturity Decline
R&D
GaN-on-SiC 仍然是射頻應用中最
成熟的技術,未來五年內將主導市
場。2020 年以來,朝向 6“ 的晶
圓持續進行,未來幾年將加速。
國際大廠戰略變化和地
緣衝突下,GaN-on-Si
進度放緩,但新進者已
瞄準量產型手機用 PA
市場,長期而言,具新
市場機會。
自2018 年 GaN-on-Diamond
的創新展示後,產品開發似乎
比預期的要長。玩家仍在開發
商用化的高階應用產品,如國
防和衛星通信。
GaN-on-GaN
仍處於早期研
發階段。
ISTI:
新舊技
術並存
國際
市調
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從歷史視角看驅動功率應用的進展
EV/HEV
Automotive
智慧手機
桌上型電腦、筆電 5G, 數據中心.
Consumer
and
computing
工業 自動化、電氣化
1970… 2000 2010 2020 2030
Time
Renewable
s
Photovoltaics, wind energy
太陽能電池,風力發電
資料來源:工研院產科國際所 備註:參考Yole report.(2021)
n 電力電子主要以高性能和高可靠度元件為目標,關注新半導體技術、晶片結構和
封裝技術以實現高效率、小尺寸以及增強安全性和散熱管理以及降低成本。
n 推動電力電子市場的主因是 EV/HEV 和電機驅動,其次是再生能源。EV/HEV
主要趨勢是朝著 CO 2 減排為目標。
n 馬達的驅動力是製造工廠對更高效率和自動化的需求,疫情危機更推動更高水平
的工廠自動化。
Motor
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從電壓(功率)需求區分寬能隙(Wide Band Gap )市場
n 從寬能隙特性找出適合應用範圍
<200V 600V 900V 1.2kV 1.7kV 3.3kV 6.5kV+
低壓
PFC(功率因數校正) and
Power supply(電源供應器)
Audio Amplifier
中壓
PV Inverter Motor control
xEV UPS
高壓
Ships & vessels Smart power
grid
windmills Rail transport
SiC Diodes
戰場 SiC Transistors 2018
GaN Transistors 2018
SiC Transistors 2018
GaN Transistors 2018
市場共存
資料來源:Systemplus consulting-SiC Transistor Comparison 2020
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功率應用基材Si & SiC的競爭分析
• 氮化鎵一直以來都是定位在200V以下。直到2018年,氮化鎵迅速滲透消費者市場。從Power
Integration的GaN/sapphire(氮化鎵/藍寶石)到各式各樣氮化鎵的科技應用。2021年,快充
的大量需求成為氮化鎵一大推力。
• GaN/Si可有效應用於工業及汽車產業。合格樣品預計會在未來幾年研發完成,屆時氮化鎵便
能正式上市。
• GaN/GaN 與 氧化鎵(Ga2O3)皆處於研發階段。
• 由於氮化鎵晶圓高成本及大小的限制,預計未來五年仍難產出大量或商用氮化鎵。
Introduction Growth Decline
Sales
volume
Note: the figure is to indicate the development status of each
technology.
R&D Maturity
GaN on
Sapphire
Ga2 O3
SiC
Si
GaN on Si
GaN on
GaN
Consumer
EV/HEV
Industrial
Telecom &
Infrastructure
資料來源:工研院產科國際所整理 2021 備註:參考Yole report.(2021)
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地緣政治下全球化合物半導體產業大廠積極佈局
日本
ØIQE(英國)(GaN)
ØInfineon (德國/奧地利
)(GaN/SiC)
ØNXP (荷蘭)(GaN)
ØExaGaN (法國)(GaN)
ØSoitec (法國)(GaN)
ØSTMicroelectronics(法國/義大利
)(GaN/SiC)
ØImec(比利時) (GaN/SiC)
VisIC Technologies(GaN)
以色列
瑞典
SweGaN(GaN)
西歐
ØGaN System(GaN)
ØGanpower
International(GaN)
ØCree/WolfSpeed (GaN/SiC)
ØII-VI(GaN/SiC)
ØEPC(GaN)
ØUnited SiC(SiC)
ØMACOM(GaN)
ØQORVO(GaN/SiC)
ØNorthrop Grumman(GaN)
ØRaytheon(GaN)
ØNavitas(GaN)
ØTransphorm(GaN)
ØSkyworks(GaN)
ØBroadcom(GaN)
ØOn Semiconductor(GaN/SiC)
加拿大
美國
台灣
Ø穩懋半導體(GaN)
Ø漢磊科技(GaN/SiC)
Ø環球晶圓(GaN/SiC)
Ø嘉晶電子(GaN/SiC)
Ø台灣積體電路(GaN)
等17家
中國
Ø三安光電
(GaN/SiC)
Ø中國電子(GaN)
Ø华灿光电(GaN)
Ø華為(GaN/SiC)
Ø闻泰科技(GaN)
等71家
ØROHM(GaN/SiC)
ØPanasonic(GaN)
ØNTT AT(GaN)
ØSUMITOMO
Chem. (GaN)
ØSUMITOMO
Electric (GaN)
ØFuji Electric
(SiC)
ØMitsubishi
Chem. (SiC)
ØCoorstek(GaN)
ØDowa(GaN)
ØPowdec(GaN)
ØShin-Etsu
Chemical(GaN)
ØFujitsu(GaN)
ØToshiba(SiC)
ØMurata(GaN)
GaN 功率元件(GaN on Si):
GaN 射频元件(GaN on SiC):
SiC 功率元件:
n 強大的系統發展需求
n 國防安全的考量,
n 關鍵材料自主化
13
8
14
資料來源:工研院產科國際所,PIDA
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追趕下的中國大陸晶圓與磊晶廠的佈局
資料來源:Yole report 2021
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(海威華芯)HiWAFER 由
HTGX 和 CETC 創立,為 GaN
RF、GaAs RF 和 GaN 功率元
件提供代工服務。 (三安)提供 GaAs RF 和開發 GaN RF 製程的代工廠。
(能訊)產品為GaN RF, 以基站為目
標市場的IDM廠
(晶湛)以Epihouse 為主提供 射頻、
功率和光子學應用中提供各種類型的
產品。
(中電)與華大半導體合資CEC(中國電子股份
有限公司),開發 GaN-on-SiC 磊晶片。
Semi-insulating SiC wafer fab
GaN-on-SiC epihouse
GaN-on-SiC foundry (*)
GaN-on-Si epihouse
GaN-on-Si foundry (*)
(磊拓科技)SiC晶片主要供應商,提供
2"-6"的S.I.和n型SiC晶片。2021 年
在上海開設新工廠。
(主要參與者和商業模式)
(天科合達)nType SiC晶圓的主要供應
商,同時提供2“-6”的S.I.和SiC晶圓
一直活躍於化合物半導體,供應包括
(華進創威)GaN-on-SiC 磊晶片在內
的產品。
CETC-13(河北)和CETC-14/55
(南京)是中國國防和民用市場射頻
和功率元件的主要供應商。
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2020年功率模組構裝用材料市場規模
n 2020 年,功率模組封裝材料營收約
17億美元,構裝材料成本約佔功率模組總成本的
33%。基於銀燒結的晶片膠材、氮化矽(Si3N4) - AMB
基板等昂貴元件的比重增加,並且仍增加中。(不包括底盤材料,例如塑模製
品、導線架、母線和各種底盤墊圈和密封劑)。
無銀活性金屬釬焊 (AMB)
Substrate
22%
Baseplate
24%
Substrate
attach
18%
Die attach
12%
Encapsulati
on
8%
Interconnections
10%
Case
4%
Thermal
interface
materials
2%
2020 功率模組構裝材料市場規模17億美元
Active Device
40%
Raw material
33%
Manufacturing
19%
Others
8%
2020年功率模組成本分析
資料來源:工研院產科國際所 備註:原圖來自Yole Report 2021
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- 23. ©ITRI. 工業技術研究院著作
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22
Active Device
39%
Raw material
37%
Manufacturing
18%
Others
6%
2026 年功率模組成本分析
Active Device
40%
Raw material
33%
Manufacturing
19%
Others
8%
2020年功率模組成本分析
2020-2026年功率模組構裝材料市場
2020年材料成本佔33%,達
17.23億美元,除了前述的材料成本漲價外,也因功率模組總體需求增加而促使
2026年材料成本佔37%,達 35.26億美元
資料來源:工研院產科國際所 備註:原圖來自Yole Report 2021
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結論
n 對高功率而言:高溫低頻和寬能隙,功率密度和穿透電壓是最重
要的因素。
n 對高頻而言:低功耗和高經濟效益的應用(與mmWave 5G更相
關),截止頻率(Cut off frequency)和電子遷移率(Electron
mobility )成為最重要的因素。
n 成本和積體化也是重要因素,Si 技術比GaN或SiGe更易積體化,
成本低得多,在可用空間允許下仍使用Si技術。
n GaN以獨特的高頻特性、SiC以較高的功率密度與兩者優越的整
合度成為5G技術的核心元件。
n 地緣政治下全球化合物半導體產業大廠積極佈局主因在於
ü 強大的系統發展需求
ü 國防安全的考量,
ü 關鍵材料自主化
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- 27. ©ITRI. 工業技術研究院著作
產業科技國際策略發展所
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材料
能帶隙
(eV)
電子遷移
率
(cm2/Vs)
功率
密度
(W/mm)
穿透電壓
(崩潰電壓)
(kV/cm)
導熱係數
(W/m·K)
截止頻率
(GHz)
熔點溫度(°C)
Si 1.12 1500 0.2 300 150 20 1414
SiGe 0.945 7700 1 200 8.3 285 1176
SiC 3.25 900 10 3500 450 20 2730
InP 1.35 5400 1 500 70 300 1062
GaN 3.49 1500 30 3300 150 150 2500
GaAs 1.42 8500 0.5 400 50 150 1238
半導體關鍵特性深深影響下游應用
p 對高功率(High Power)而言:高溫(Melting Temp.)低頻和寬能隙(Wide Band
gap),功率密度(power density)和穿透電壓( breakdown voltage)是最重要
的因素。(SiC 與 GaN)
p 對高頻而言:低功耗和高經濟效益的應用(與mmWave 5G更相關),截止頻
率(Cut off frequency)和電子遷移率(Electron mobility )成為最重要的因素。
• 截止頻率是5G應用的關鍵要求,對於放大器而言,SiC顯然不適合。
• 成本和積體化也是重要因素,Si 技術比GaN或SiGe更易積體化,成本低得
多,在可用空間允許下仍使用Si技術。
• GaN以獨特的高頻特性、超高的功率密度與優越的整合度成為5G技術的核
心元件。(GaN與InP)
資料來源:Lambrechts&Sinha,《關於將EW,Space作為實現技術的Si,SiGe,GaN,SiC,InP和GaAs的綜述》,施普林格,2016年,第301-229頁。
資料來源:工研院產科國際所整理 2021
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