蔡玉琬/ 發布日期：2019/07/25/ 瀏覽次數：520

半導體是在導體與絕緣體之間，具導電性的一種材料，最常被使用的元素是矽(Silicon)，化合物半導體(compound semiconductor)則是指結合元素週期表中，兩種以上的元素，其能提供工業所需的四種應用，包含高功率電子、光子(photonics)、感測器與通訊。Frost & Sullivan報告認為，各界正持續研究與開發，以改善化合物半導體的性能參數，並使其能替代矽成為新的半導體材料，以推動5G通訊、無線充電與能源轉換等技術的快速發展。下列將摘錄報告介紹的化合物半導體、市場發展驅動力與阻力、應用潛力與各國政府投入。

一、最常見的化合物半導體
(一) 碳化矽(SiC)：結合碳與矽的半導體，能承受高溫與高電壓的特性，使其成為高功率電子產品的理想材料，半導體產品如蕭特基二極體(Schottky Diodes)與金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。
(二) 氮化鎵(GaN)：為直接能隙(direct bandgap)半導體，能隙為3.4eV，能夠承受高電壓、電流與溫度，適合作為微波頻率(microwave frequencies)的功率放大器。
(三) 磷化銦(InP)：電子漂移速度(electron drift velocity)高，適合應用於高電壓與高頻(high frequency)產品，目前已被應用於雷射、LED、光偵檢器(photodetectors)、波長調節器、光學感測器與光電產品。
(四) 砷化鎵(GaAs)：為直接能矽半導體，具有高電子移動性與熱安定性，使其可用於生產微波頻率的IC、雷射二極體(Laser Diode)、紅外線LED與太陽能。且因具高介電常數(dielectric constant)，使其可被應用於單晶微波積體電路(monolithic microwave integrated circuits, MMIC)。
(五) 磷化鎵(GaP)：能隙為2.24eV的半導體材料，常被用於光學系統與LED。
(六) 矽鍺(SiGe)：常被用於IC開發，IBM為首個導入此材料的機構。

二、化合物半導體市場的發展驅動力與阻力
(一) 更小型電路的趨勢：如分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)這類製造技術的進步，使電路得以更小巧卻更複雜，碳化矽與氮化鎵得以被運用於半導體，因此大幅減少電路尺寸與縮小電子產品體積。
(二) 5G、AI、大數據與高功率(HPE)的應用：矽主導電子市場近50年的時間，但是在高功率產品的應用則遇到障礙，不過利用氮化鎵可克服此障礙，並適合高功率產品的應用，如5G與處理大數據的資料中心。
(三) 能源效率與綠能需求：化合物半導體在高電壓與高溫方面的耗損較矽半導體更少，若應用於輸送帶、壓縮機、泵浦與資料中心將能大幅降低能源使用。另一方面，因為對溫室氣體排放量與核電廠的顧慮，使更多人轉向綠能，而太陽能轉換器與風力發電機馬達的效率，皆與半導體效能有關。
(四) 有限的製造設備：目前全球主要半導體製造設備是互補金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)，適合矽半導體，而非化合物半導體，使得多數投入半導體化合物的企業，面臨到尋找特殊生產設備的挑戰，如處理分子束磊晶(MBE)。
(五) 生產成本更高：生產化合物半導體的設備相較矽半導體更為昂貴，且僅有少數設備廠商有製造設備，如Aixtron，且用來生產的原料常較矽更為昂貴。

三、多元應用發展潛力
(一) 照明與顯示器：氮化鎵可應用於LED，如利用氮化鎵上矽(GaN-on-Si)技術開發下一台照明燈具，亦為消毒用UV-LEDs的材料；氮化鎵雷射可應用在醫療、汽車與照明。
(二) 健康照護：氮化鎵在照護產業的新興產品應用上具有相當大的潛能，如無線醫療植入物與穿戴裝置，且氮化鎵的電路可以提高成像與診斷系統的功率效能，同時有助於先進醫療機器人技術應用。
(三) 能源：砷化鎵與氮化銦鎵(InGaN)可用於提升太陽能板效率；氮化鎵與矽鍺的電子產品能被用於提升太陽能板轉換器與風力發電機的效率。
(四) 汽車：如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)與二極體(diode)等含有碳化矽與氮化鎵的零件能被用於各種電子零件的線路，如電池充電器、無線充電電路與轉換器。氮化鎵與砷化鎵對開發垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)相當重要，這類雷射是開發光達(LIDAR)感測器的關鍵，而光達常被用於汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)的距離量測。
(五) 通訊：國防與通訊業常利用砷化鎵作為射頻(RF)與毫米波(millimeter wave)通訊系統的材料；將氮化鎵應用於通訊，能使高頻具可行性，有助於5G佈建；隨著導入磷化銦的光學資料收發器(transceiver)系統，將可改善資料中心的網路連線。

四、主要國家政府對化合物半導體的投資
(一) 美國：能源部已核發3200萬美元，予先進能源研究計劃署(Advanced Research Projects Agency Energy, ARPA-E)提出的16項專案。
(二) 日本：科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency, JST)提供4500萬美元的資金，在超級集群計劃(Super Cluster Program)中推動寬能隙(WBG)功率半導體、碳化矽與氮化鎵的創新與研究。日歐產業合作專區(EU-Japan Centre for Industrial Cooperation)則著重於日本、德國、法國與英國之間，在光電、半導體與再生能源的科學平台合作。
(三) 英國：投資5000萬美元於建立化合物半導體應用的代工服務。