【產業評析】砷化鎵產業簡介、概念股、市場現況與展望
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王則翰
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【產業評析】砷化鎵產業簡介、概念股、市場現況與展望

2021 年 12 月 20 日

 
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隨著全球通訊往來越趨頻繁,不只通訊市場的「需求量」日益攀升,人們也開始越來越講究通訊的「品質」。砷化鎵貴為第二代半導體的代表性化合物,在這個「通訊量爆炸」的現代世界裡當然不會缺席。究竟砷化鎵是什麼?它如何在第一、第三代半導體的心就夾攻下狹縫中求生存?砷化鎵概念股、砷化鎵三雄有哪些?後市市場展望又是如何?跟著本文一一揭曉!

砷化鎵是什麼?

首先,如果您對於半導體是什麼還不甚了解的話,不妨先參考以下幾篇股感站上的文章,再回來繼續閱讀這篇文章,筆者認為這樣才能將此篇文章對您的效益最大化呦!

【推薦閱讀】數位時代基石:半導體

第一、第二、第三代半導體分別是什麼?

若您對於半導體市場有些許的興趣與研究,您是否也曾有以下疑問:「既然一樣都是半導體,究竟為何還要分為這麼多不同種類呢?還分成這麼多代是要做什麼?」在了解砷化鎵之前,我們首先要釐清不同代別的半導體之間的區別!以下表格為第一、第二、第三代半導體之間的比較:

第一、第二、第三代半導體比較
第一代半導體 第二代半導體 第三代半導體
主要材料 矽 Si、鍺 Ge 砷化鎵 GaAs、磷化銦 InP 碳化矽 SiC、氮化鎵GaN
特性 製作容易、成本低 低耗損、抗輻射、高導熱 高功率、耐高溫高壓
主要應用 記憶體、CPU處理器 3D 感測、光通訊、射頻 電動車、再生能源、通訊

表一:第一、第二、第三代半導體比較。資料來源:工商時報,股感知識庫整理

從上表中,我們可以發現,不同代別之間的半導體,其主要材料不斷演化、變異,進而發展出各自的終端應用。就算最新的半導體已經發展到第三代,不過這並不代表第一、第二代半導體就完全失去他們的價值與市場!事實上,正因為主要原料化學特性之差異,不同種類的半導體可以之間「很有默契」地找到各自最適合的應用領域,因此彼此之間並不存在很大的排擠效應。

砷化鎵 — 被前後夾攻的第二代半導體

砷化鎵是第二代半導體的主要原料之一 — 另一主要原料是磷化銦(InP)。隨著科技日益發展,現在市場的主流(例如:電動車、再生能源、高速通訊等),對於電子元件的規格要求更高,而原本的第一代半導體原料「矽」的元素特性,開始無法因應需要在更高溫、更高電壓的環境下運作。因此市場開始尋求半導體原料創新,漸漸地就開發出第二代半導體的砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP)兩種主要原料類別。第二代半導體的出現,也意味著半導體原料正式從「元素」領域晉升到「化合物」領域。

以下是兩個主要的第二代半導體化合物簡介:

  1. 砷化鎵(GaAs)
    砷化鎵是第二代半導體的代表作,在砷化鎵橫空問世時幾乎可以用掀起了一場「半導體革命」來形容 — 當時根本沒有人想得到有一天半導體原料居然可以用化合物來做,重點是效果還超好。
    砷化鎵最大的優勢在工作溫度高(最高可以到攝氏 350 度左右,雖然第三代半導體的作用溫度被拉得更高,不過在當時這已是最高規格)、耐熱、抗輻射、發光效率也很高,基於這樣的特性,砷化鎵最主要被應用在高功率傳輸、LED 發光體領域。
  2. 磷化銦(InP)
    雖然以結果論來說,第二代半導體市場產值還是由砷化鎵為大宗,不過磷化銦的最大優勢,在於擁有比砷化鎵更高的「功率密度」,這個化合物特性使得 InP 在 5G 毫米波頻段、B5G(Beyond 5G ) 次太赫茲(THz)頻段運用效果更勝砷化鎵,也是市場上普遍認同有潛力成為未來功率放大器的熱門技術選項之一。
砷化鎵(GaAs) 與 磷化銦(InP) 整理與比較
項目 GaAs 砷化鎵 InP 磷化銦
功率密度(W/mm)(註 1 ) 0.5 1.8
作用溫度 攝氏 350 度 攝氏 300 度
電子遷移率(cm2/V‧s)(註 2 ) 8,500 5,400
能隙(註 3 ) 1.42 eV 1.3 eV
主要應用領域 高功率傳輸、LED領域 光通訊傳輸、射頻領域

表二:砷化鎵 與 磷化銦 整理與比較。資料來源:經濟部技術處,股感知識庫整理

註 1 :功率密度(power density),即每單位體積的功率,代表的是能量傳輸的速率。由於市場普遍追求更精巧的半導體的體積,因此當空間有限時,功率密度遂成為一個重要的效率衡量指標。
註 2 :電子遷移率(electron mobility),即單位電場強度下所產生的載流子平均漂移速度。電子遷移率代表了載流子導電能力的大小,它和載流子濃度決定了半導體的電導率。
註 3 :能隙(energy gap),即「一個能量階層的間隙」,其定義是讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。因此能隙的大小是決定半導體導電性的一大因素。)

砷化鎵應用領域

當今砷化鎵的終端應用主要有「2 大 1 小」共三個領域 — 射頻(RF)應用約 47%、發光二極體(LED )應用約 42%、激光二極體(LD)應用約佔 10%。下圖為砷化鎵在 2021 年的市場應用情形。

2021年砷化鎵市場終端應用佔比圖一:2021 年砷化鎵市場終端應用佔比。資料來源:國海證券,股感知識庫整理

以下一一介砷化鎵半導體的應用:

應用 1:射頻(RF)

砷化鎵應用最廣的是在射頻領域。射頻(Radio frequency,RF),為在 3 kHz ~ 300 GHz 區間內的震盪頻率,這個頻率也相當於我們熟知的「無線電波」的頻率。GaAs 因為其化合物半導體電子移動率比傳統的矽(也就是第一代半導體)還快,且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性,因此特別適合應用於無線通信中的「高頻傳輸領域」,現在越來越多被應用於射頻前端元件。在現在已成熟的 4G、以及正在快速發展的 5G 時代都將有著高度需求。

【推薦閱讀】Skyworks Solutions (SWKS)-射頻前端巨頭

應用 2:發光二極體(LED )

LED 是發光二極體(light-emitting diode)的簡稱,是一種能發光的半導體電子元件。相信大家對於 LED 應該不陌生,不過去探究若去探究 LED 的發光原理,其實它是透過「三價」與「五價」元素所組成複合光源 ,若有化學相關背景投資朋友看到這邊應該可以懂了 —— 砷的主要狀態正好是 5 價、而鎵在化合物中則主要以 +3 價存在。而由於 GaAs 的高發光效率,也使得 LED 成為砷化鎵半導體主要進攻的市場之一。目前這些 LED 主要應用在汽車的煞車燈、未來像是車內的閱讀光、或者路上的大型廣告看板,都是砷化鎵的潛在應用。
LED 其實早在 1962 年就已經被發明出來,我國也在 20 多年前開始發展 LED 產業,早期主要以下游的封裝廠為主力,接下來慢慢往中游晶粒生產,上游晶片生產發展。根據光電協進會的統計台灣在 LED 下游封裝應用市場擁有全球 70% 的市占率。

應用 3:雷射二極體(LD)

雷射二極體具有直線傳播、高光密度、可干涉性 (coherent) 等特色,可以運用在很多裝置上,例如:動作感測器、雷射印表機、工程測量工具、煙霧感測器等。
LD 的作用原理稍微複雜一點,相較於 LED 而言,LD 也是大家比較陌生的領域,下列的推薦閱讀內,除了講述雷射二極體的應用原理外,也有比較 LD 與 LED 的差異,和一些 LD 的未來發展趨勢,供有興趣的朋友作為參考!

【推薦閱讀】雷射二極體: VCSEL 是什麼?應用、原理 一篇看懂!

砷化鎵概念股有哪些?砷化鎵三雄指的是?

而投資朋友們關心的砷化鎵股票有哪些呢?筆者綜合市場資訊,為投資朋友歸納出以下台灣股市中血統較純的幾檔「砷化鎵概念股」,供投資朋友參考:

台灣砷化鎵概念股
分類 產品 股票(股票代號)
上游
基板 IET – KY (4971-TW )
磊晶片
聯亞(3081-TW )
全新(2455 -TW )
IC 設計
聯發科(2454 -TW )
立積(4968 -TW )
中游
晶圓製造
穩懋(3105 -TW )
宏捷科(8086 -TW )
環宇 – KY(4991 -TW )
下游
封裝、測試
同欣電(6271 -TW )
菱生(2369 -TW )
日月光(3711 -TW )
矽格(6257 -TW )

表三:台灣砷化鎵概念股。資料來源:穩懋 2020 年報,股感知識庫整理

上表中的宏捷科 、穩懋、全新,是台灣股市中砷化鎵族群的三大要角,也正是市場中俗稱的「砷化鎵三雄」喔!

砷化鎵半導體產業現況與展望

市場現況 — 5G 時代下手機 PA 仍然倚重 GaAs 半導體

5G 時代 GaAs 仍將主導智能手機 PA (射頻功率放大器) 市場。由上文中可以看到,RF 一直以來都是 GaAs 半導體的最大應用市場。據 Yole Development 數據,2019 年 RF 市場就佔據了整體 GaAs 半導體市場總量的 33% 並貢獻了 37% 的產值;而隨著 5G 手機在未來將越來越普及相較於以前的 4G 手機,5G 手機中不管是 PA 的數量、單價,都要比 4G 時代有大幅的增長空間,市場預估 RF GaAs 的市場規模從 2019 年的 28 億美元,將有機會在 2025 年達到 36 億美元以上。總歸而言,手機功率放大器的這塊大餅在未來應該還是會是砷化鎵半導體的「穩定保底輸出」。

未來展望 — 新應用領域:VCSEL

上文中在講述雷射二極體(LD)的段落時,有附上一篇 推薦閱讀 供讀者參考,裡面除了比較 LED 與 LD 的差別外,也提及了一個未來的市場潛力: VCSEL 。垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有較小的原場發散角、調制頻率高且易於實現大規模陣列及光電集成等優點,廣泛應用於光通信、3D 傳感、面部識別、車載激光雷 達等場景,且短期內不易被其他技術取代。現在我們一起回顧一下生活周遭在近年的轉變 — 手上的智慧型手機漸漸開始使用人臉辨識?而自動駕駛技術是否聚焦了越來越多的市場討論? —— 沒錯,這些技術,正都會使用上 VCSEL 技術!
隨著手機 3D 面部感應滲透率提高、 大容量光纖通信激光器的需求拉動,據 Yole Development 統計數據,全球 VCSEL 的市場規模將從 2020 年的 11 億美元,增長至 2025 年的 27 億美元,年複合成長率預測將達 18.5%。相信在未來,以 VCSEL 為代表的光電子領域將成為 GaAs 市場主要的成長動能之一。

結論

近幾年由於第三代半導體的快速發展,很多人也逐漸忘卻了那個也曾經紅極一時的砷化鎵半導體。不過固然第三代半導體有其優勢沒錯,但這並不代表它們可以通吃掉第二代半導體的市場。就如同上述所說,從現在到 2025 年,市場預期 GaAs 規模依然有 10% 的 年複合成長率。 

希望透過這篇文章,讀者們對於砷化鎵、乃至於整個第二代半導體已有了多一層的認識。在科技日新月異的時代,如何找到自己的價值、做出差異化是很重要的。而在筆者眼中,第二代半導體其實已經做到了,市場終究會還給他們合理的估值。

資料來源:

 
週餘
 
 
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