各國5G已陸續開台，硬體建設也逐漸完備，高速且低延遲的通訊品質將協助串連更多的IoT裝置，5G將影響許多其他應用產品以及服務提供，並且實現行動通訊以外的創新應用。下一步5G將隨著裝置數量的增加，從使用sub-6GHz以上的頻段擴展到毫米波頻段，以滿足更大量裝置部署的需求，因此特別需要支援高頻毫米波的基頻處理器和射頻(RF)零組件的低成本化。
然而在達到低成本化的目標之前，毫米波技術必須先面對材料與製程的挑戰。目前大多數半導體元件的製程都是以矽(Si)為基礎，當產業步入毫米波通訊時代，矽基晶片的效能已逐漸不敷使用，而這也是業界大多逐漸認知到的事實。
現階段矽製程所生產的元件，功率密度比較小、輸出功率低，當套用於毫米波應用進行高速切換過程中，經常會發生過熱、訊號衰減等問題，因此相關產業鏈也開始找尋新材料解決此難題。
GaN材料助力高頻RF元件設計
氮化鎵(GaN)作為光電半導體的材料已有一段時間，擁有更高輸出功率性能、功率密度高，且其高崩潰電壓與飽和電流，可用來製作高速、低雜訊化元件等優勢，恰好能彌補矽製程的缺點，成為晶圓代工產業關注的明日之星。
如同上述所言，GaN的功率密度高，相對於傳統矽為基礎的金屬氧化物半導體(LDMOS)來說，可以提供比較好的運作環境。再者，5G基地台設計為避免毫米波的損耗，基地台設計包含64~1,024個天線單元，過去用矽鍺(SiGe)的方式，可能會有超過1,024個單元的大型天線陣列；但若採用GaN材料製作，天線陣列數量能有效降低到1,024個單元以下，能在不犧牲通訊品質的前提之下，其體積與發熱問題也得以有效舒緩。
特別是GaN的元件單價高，但有著高功率密度的優勢，能讓晶片體積大幅縮小，使用GaN可能僅需64個單元的天線陣列，意味著可降低總體成本與功耗。
值得注意的是，GaN有一個先天的缺點，就是無法像傳統矽製程，透過液相拉晶的方式製作大尺寸的晶圓達到量產性，大多都必須依附在基板上面做磊晶，才能進行後續的電路加工。
目前GaN的基板材料主要以GaN-on-SiC與GaN-on-Si兩種為主，前者在散熱上具優勢，適合高溫、高頻操作環境，工研院預期該技術將主導未來射頻GaN元件市場；而後者相較之下為新興技術，目前仍無法在成本、效能與供應鏈完整性上和GaN-on-SiC競爭，成長性還有賴5G設備商與手機商是否願意擴大採用。
以台灣來說，III-V族半導體代工廠穩懋已開始提供6吋GaN-on-SiC晶圓代工服務，應用以高功率PA和天線為主；環宇則是具備4吋GaN-on-SiC高功率PA產能。 另一方面，GaN電晶體(增強型GaN)的電路設計非常複雜，閘極需要驅動才能執行開(關)功能，而GaN的閘極電壓臨界值和最大電壓都很低，所以很容易被誤動作，在設計上有非常大難度。因此實際上製作通訊元件設計時，基本上會有一些客製化的因素在其中，並非像大多數標準品可以大量量產。GaN無論是製程、設計都與過去大相逕庭，後續也考驗著良率與可靠性的挑戰。
從通訊應用的角度來看，工研院產科國際所系統IC與製程研究部資深產業分析師劉美君(圖1)認為，基地台多通道傳輸、高頻傳輸，將會是未來新材料應用的主流發展方向。但在行動裝置上，手機端應用亦有其發展潛力，不過受限於功率電壓仍高於矽製程，在手機上的使用容易耗電，故須要有進一步設計的改善才能推到終端裝置上的領域。
圖1 工研院產科國際所系統IC與製程研究部資深產業分析師劉美君表示，5G毫米波高頻的需求推動，預期GaN將成為RF和基頻處理器設計的重要材料。
放眼化合物半導體 中國併購策略提早布局
看好化合物半導體的潛在機會，加上中國自知技術與上游材料掌握能力不足，故早於10年前，就開始陸續透過併購的方式，補足化合物半導體相關技術的缺口。例如於2010年，由四川的益豐電子收購法國提供III-V(GaAs、GaN與InP)族製程、解決方案與外延片供應商OMMIC，藉此擴充電信、航太和安防高性能MMICs方案能力。同時該公司也於日前投資1,500萬歐元在巴黎興建一座800平方公尺的無塵室，生產5G中繼天線的化合物半導體晶片，主要供應給華為、愛立信(Ericsson)和富士通(Fujitsu)。
另一個受矚目的併購是發生於2015年，由北京建廣資產收購恩智浦(NXP)的RF Power部門。劉美君談到，RF Power是行動通訊領域的核心技術，也是雷達、電子戰系統、航太和衛星領域關鍵核心元件。而這項由北京建廣資產收購NXP RF Power部門的併購案中，表面上是民間的併購案，實則為政府主導的國有收購案。
劉美君表示，北京建廣資產屬於中國建投公司，這是一家專門在半導體、雲端運算、網路通訊等新興產業領域的併購公司和資產管理公司，而往下追查下去，發現這家實則為中國政府直接控股的投資單位，中國政府投入化合物半導體的野心可見一斑，其動機在於這項技術可為通訊、軍事用途帶來實際助益。
中美貿易科技戰開打 通訊供應鏈版圖大搬風
整體而言，未來5G相關半導體市場規模最大者為基頻、應用產品核心處理器，以及射頻晶片的發展，而這也是目前台灣半導體業者在2021年致力提升研發與量產性的課題。
在中美貿易戰的開打下，美國對華為禁令的影響持續擴大，加上歐洲的英國、法國等國家開始加入排除華為5G設備的陣營，預計將重創華為在歐洲的影響力，進一步削弱華為5G設備市場擴張的能力。
工研院產科國際所經理葉恆芬(圖2)分析，華為晶片與出貨已受到有效的箝制，例如智慧手機市占率明年可能會掉到個位數，基地台出貨也會有很大影響。也因如此，中國開始眼光放到未來5G高頻，需要在整個半導體的材料、製程做一些整合，才有辦法因應高頻的需求，所以中國在「145規畫」投入了10兆人民幣資金，希望突破射頻晶片的高頻與高頻材料的能力。
圖2 工研院產科國際所經理葉恆芬指出，在中美貿易戰的發展下，華為禁令影響逐漸發酵，促使中國積極推動「145規畫」，加速推動化合物半導體的產業發展。
以目前投資狀態來看，劉美君發現，華為在上游材料投資第三代半導體材料商三東天岳；另外，三安光電近年來不斷布局GaN、GaAs、SiC等，日前更是投入160億人民幣，期能從上游到下游打造一條龍的完整產業鏈。
整體來看，在美中貿易紛爭影響方面，若兩國能在2020年達成具體協議，將有助於降低未來市場的不確定性。細分產品線來看，帶動2020年晶圓代工需求成長最受矚目的產品5G基地台等基礎建設相關所需之晶片；另外有利於提升電子產品電力運用效能的電源管理IC、新能源所需之功率半導體等，在2020年的需求均十分受到矚目。