SiC、GaN、AlN、ZnO等功能性單晶基板材料市場現況與未來展望：材料世界網

日本矢野經濟研究所最近針對SiC（碳化矽）、GaN（氮化鎵）為首的功能性單晶基板材料市場及技術動向展開調査。調査對象以SiC、GaN、AlN、ZnO和Diamond等半導體結晶材料與強介電結晶、DAST 和雷射光波轉換結晶等非線性光學結晶材料為主，另外最近技術有所突破的CaF₂等氟化物亦收錄其中，如表一所示。根據該份調查，SiC 單晶2006年市場規模約40億日圓，2007年則成長至50億日圓，預估至2010年，市場規模將成長至105億日圓，2015年更將大幅成長至300億日圓。除了目前已付諸商品化的元件之外，大部分還是以研發用途為主。不過，隨著實用化的研發進展，需求正逐步擴大中。主要供應商以美國的Cree公司為主，在日本則有新日鐵等數家公司開始推出商品，只是規模都還不大，量雖不多，但已確實有產品問世。

表一、矢野經濟研究所調查的功能性單晶材料項目

分類	名稱	製法	應用領域	開發(Bulk結晶、晶圓)
寬能隙半導體	SiC	昇華法高溫CVD (HTCVD) 溶液成長	發光元件、功率半導體元件	Cree、新日鐵、昭和電工、Six-on、Bridge-stone、豐田中研、HOYA、住有金屬、產總研、其他
	GaN	HVPE法、溶液成長、(Na Flux、水熱法等)	發光元件、HEMT、SIT	住友電工、日立電線、三菱化學、古河機械金屬、其他
	AlN	HVPE法、昇華法、溶液成長、Flux	紫外發光元件、GaN主機板、高輸出功率高頻元件	住友電工、住友金屬、豐田合成、日本GAISHI、FUZIKURA、其他
	ZnO	Skull Melting法、CVT法、水熱合成法	發光元件、GaN主機板、ITO替代	東北大學、東京電波、其他
	單晶Diamond	電漿CVD等	電子元件等	產總研、其他
非線性光學結晶	強介電體結晶(LiNbO₃、LiTaO₃)	坩鍋長晶法	光學用途、波長轉換 QPM材料(PPLN)	OXIDE、松下電器、其他
	波長轉換結晶 (LBO、CLBO等)	坩鍋(攪拌育成)	光學材料、波長轉換	OXIDE、大阪大學
	DAST	傾斜法、Gell內成長法	Tela Hz電磁波發生、電場感測器等	大阪大學、古河機械金屬
其他	氟化物(CeF₂等)	Bridgeman法、CZ法(坩鍋)	光學材料、(UV Lens等)、其他	日本結晶光學、應用技研、TOKUYAMA、Schott、其他
		坩鍋長晶法	放射線檢測元件、PET	日立化成、第一機電、其他
		蒸氣擴散法、雙液法等	蛋白質結構解析	大阪大學(創晶株式會社)

資料來源：矢野經濟研究所/材料世界網整理

功能性單晶基板材料市場現況
GaN單晶2006年的市場規模約為60億日圓，2007年則成長一倍；達120億。預估至2010年將成長至297億日圓；2015年更將大幅成長至575億日圓。主要以次世代DVD光拾波器用藍紫光半導體雷射用基板為主，從2006年起需求急速成長。至於供應來源則幾乎全來自住友電工。另外，根據NEDO的最新資料揭露，一項「利用GaN 半導體開發低耗電高頻元件」的計畫已獲致豐碩成果。該計畫從材料晶圓技術到製程技術評估、設計製作技術皆採產學合作方式進行。在GaN晶圓技術方面係由豐田合成公司負責，開發出實現高品質GaN結晶成長技術、且均一的GaN厚膜等的晶圓結晶成長技術，同時確立了邁向實用化不可或缺的4吋大口徑單晶磊晶(Epitaxial)晶圓製作技術。

至於製程評估技術則由立命館大學和古河電工、沖電氣、日立電線、三菱電機、松下電器、住友化學、產總研等單位合作，開發出HFET動作時的電晶體內部電場分布測量技術和溫度分布解析技術，解明了GaN的結晶性和高頻HFET的相關特性。在GaN-HFET元件設計和製作技術方面係由NEC負責，開發出可望高輸出的Field Plate構造、高利得化及可控制介面能階影響的 Recess Gate結構。藉由上述的產學合作，以GaN-HFET做成的1 Package(2 Chip Single End)高頻增幅器在5GHz頻帯可獲致目前全球最高的200W輸出功率；同樣地，在26 GHz頻帯單晶片增幅器可做到20W的連續輸出，此外，在目前W-CDMA系統(3代手機)所用的2GHz頻帯也可做到Peak輸出400W。據云該項元件可望成為第四代手機(4G)和WiMAX等下一代寬頻無線通訊因應高輸出、高頻化最有力的元件。今後將逐步邁向量產、低成本化，預定在2009年可付諸事業化。

波長轉換結晶規模雖小，但已擁有一定規模的市場。隨著雷射顯示器等可見光雷射和紫外光雷射的需求擴大與新單晶的實用化，今後市場可望持續擴大。有關功能性單晶的市場規模發展如圖一所示。

圖一、功能性單晶之市場規模發展狀況(以金額為Base)
資料來源：矢野經濟研究所/材料世界網整理

功能性單晶基板材料未來市場的預測
SiC單晶基板
最近隨著高品質SiC晶圓的發展，帶動國內外電子元件廠更加積極致力於SiC電子元件的研發，SiC元件商品化的腳步正逐步邁開。首先，高耐壓的Desk Lead零件即開始由傳統的矽轉換成SiC。在二極體方面，SiC-SBD雖已付諸商品化，各電晶體廠也展開SiC-MOSFET的研究開發，但市場還未成氣候。今後2-3年間，應有若干廠商會推出量產商品，2013年應會形成若干市場。

GaN單晶基板
目前的應用領域推定在次世代DVD拾波器用光源和LD藍光半導體雷射用基板及照明用的高輸出白光LED用基板。電子元件，例如GaN-HEMT方面，目前使用Si及SiC基板的元件已付諸商品化，隨GaN基板的成本降低，可望做出高品質元件，展開替換動作。縱型電晶體等GaN系電子元件也慢慢成為推動GaN基板需求增加的主因之一。加入市場的廠商也將慢慢增加。在2010年之前料將有4-5家公司會加入研發行列並推出樣品。在製法方面，除目前主流的HVPE之外，液相法等新方法也正式展開，目前以大學為主體，可望推動這些方法達到實用化。

GaN除了住友電工之外，還有美國的TDI、Kyma、Cree；韓國的Sunsung、古河機械金屬等公司亦正展開研發中。在應用市場方面，以近年來市場急速擴大的次世代DVD與可作為投影及背投影電視等LD 顯示器用光源的藍紫光LD用基板為主體。藍光LD在數位有線電視和HDTV普及的背景之下，需求可望增加。其他白光LED的開發也正展開中。由於其在發光效率、導電性和熱傳導等方面優於藍寶石，故可望在照明方面形成非常大的市場。GaN基板目前的價位仍極高，但隨著參與公司的增加和低成本新量產技術的逐步實用化，可望大幅降低成本。一旦價格降低，即可望開創新的應用領域，進而擴大市場需求。矢野預估至2015年將成長至100億日圓規模。

AlN單晶基板
目前已有2家美國公司發表相關產品，雖僅止於樣品階段，但可望慢慢打入市場。AlN和SiC、GaN具有同樣優異的寬能隙特性，紫外發光元件可望最早做到實用化。單晶磊晶成長用的AlN基板與SiC、GaN相比，雖尚未展開相關作為商品的性能評估，但部份廠商一旦開始推出產品，在品質、性能、成本等方面開始進行確認，將很快接近實用化。目前投入研發的廠商雖比GaN等少，開發的範圍也較小，但至2015年左右，繼美國之後，日本也應會有廠商投入而帶動市場擴增。

目前AlN可說還處於研發階段，不過最近傳出已有美國廠商推出產品的消息，日本方面雖有多家廠商積極投入，不過都還沒有產品推出。以現階段來看，AlN基板市場雖還未成氣候，但預估2-3年之內繼美國之後，日本應該也會有若干的成果展現。AlN和SiC、ZnO一樣，具有優異的特性，可望作為高性能電子元件和發光元件。尤其是在高功率的高頻元件和紫外光發光元件的應用上大放異彩。藉由這些元件的出現，可望帶動極大的需求成長。預估至2015年將可望成長至50億日圓。

ZnO單晶基板
研發以歐美先行，日本則有東京電波與東北大學共同合作開發的水熱法，該製法具有可同時大量育成結晶的特性，因此可望推出比SiC、GaN便宜的基板，具有替代該產品的可能。在應用領域方面，目前各公司紛紛以紫外光發光二極體為開發目標，新元件的出現雖可望帶動未來的市場需求，但目前還不明朗。以發光元件為前提的實用化則預測會在2015年左右。ZnO雖比AlN市場出現晚，但基板的量產成本可望大幅降低，有可能替代GaN相當的需求量。因此，以應用元件的廣度與量產技術的確立為前提，2020年可望出現規模市場。

過去，ZnO基板的製作以歐美的研發機構和廠商為主，但最近日本利用水熱合成法亦開發出結晶性良好的ZnO結晶，同時逐步建置可利用大量育成而降低成本的基板供應體制。在應用方面，紫外光發光元件備受期待。一旦高品質、低成本的基板供應成為可能，則可望替代SiC、GaN基板，擴大需求。

非線性光學結晶
PPLN、LBO、CLBO素被作為藍綠可見光雷射和紫外線輸出的波長轉換結晶使用。這些結晶均已形成穩定的市場，可見光區的綠光和藍光波長轉換所使用的PPLN因次世代DVD和LD等顯示設備的需求而可望帶動今後的市場成長。紫外光的波長轉換結晶CLBO等在半導體Lithograph、短波長雷射加工等領域可望需求成長，預測至2015年左右市場會成長一倍。

圖二、功能性單晶的未來市場規模預測(以金額為Base)
資料來源：矢野經濟研究所/材料世界網整理