專家傳真－化合物半導體應用漸成主流 材料自主化 將成未來發展關鍵

相較於矽（Si）基半導體而言，化合物半導體能兼具多項優異特性，並以高頻通訊和高功率元件或模組爲主要兩大應用。以高頻通訊爲例，應用在行動終端時就需要考量低功耗和高經濟效益，並選擇高的截止頻率（Cut off frequency）和高的電子遷移率（Electron mobility）成爲發揮高頻性能的重要因素。

以功率放大器（Power Amplifier，PA）元件爲例，依據基地臺功率大小的需求而有不同的解決方案。例如大型基站（Macrocell）與小型基站（Microcell），因對功率的要求較高，並需要更低的功耗與更好的無線電性能，此時氮化鎵成爲較佳的選擇；碳化矽雖在截止頻率的性能上不如氮化鎵，但仍具有較高的功率密度（Power Density），因此與氮化鎵之間的整合，更能形成未來5G通訊技術的核心元件。

在通訊範圍較小的微型基地臺Picocell和Femtocell，是以砷化鎵爲主要材料。但必須要具有高頻處理能力、低介電常數及良好的導熱性和低介電損失等特性者，都會是高頻通訊用化合物半導體材料的首選。另有具更高頻特性的磷化銦，若能將晶圓尺寸增大、製程成本拉低的情況下，或有機會成爲未來高頻通訊市場的主流之一。

同樣在射頻（Radio Frequency，RF）應用上，兼具寬能隙（Wide Band Gap）、高功率密度、高電子遷移率及耐溫性（Temperature Tolerance）的氮化鎵，近年來在5G通訊基站建置需求增加的推動下倍受矚目；尤其是以氮化鎵爲基材的單晶微波積體電路（MMIC），更可達到線路匹配、減小系統尺寸、降低成本等優點，早已應用在軍事、衛星通訊等終端產品。而以碳化矽爲基板的氮化鎵（GaN-on-SiC），也是目前射頻應用中最成熟的技術，預估未來五年內仍可主導市場。

在高功率的應用領域中，則是因應電力電子系統的高性能、高可靠度需求，相對在半導體或晶片技術上必須實現高效率、小尺寸、高安全性，以及良好的散熱管理、可降低成本等；因此在材料特性上更需要注重熔化溫度（Melting Temperature）和低頻、寬能隙、高功率密度、高穿透電壓（Breakdown Voltage）等因素。

在小於200V的低壓市場中，以氮化鎵爲主要高功率應用的晶圓材料，這兩年來較著名的產品有快速充電。而應用在600至1,200V的中壓市場，大多適用在太陽能變頻器、馬達控制、電動車、不斷電系統（UPS）等終端產品；2018年起碳化矽晶圓崛起後與氮化鎵晶圓市場共存，1,700V以上的高壓應用，以航運、軌道運輸、風力發電、智慧電網等市場爲主。

近年來，在全球提倡低碳能源的趨勢下，電動車因改採電池帶動馬達驅動行駛，成爲取代傳統汽車的新寵兒，全球知名車廠無不積極加入電動車生產行列，成爲推動功率元件/模組市場大幅成長的主因；在電力電子和再生能源相關應用的驅動下，同時帶動化合物半導體晶圓市場與產業技術發展。然而，在高功率元件及模組的使用上，往往因高溫和不斷的熱循環而造成元件故障，相對在元件構裝中擔任基板與銜接電路等材料，就需要考量是否能耐高溫或需重新設計。

當前化合物半導體晶圓，不僅多數掌握在國際大廠手中，因地緣政治，歐、美、日、中等各國都着眼在發展各種系統；加上國防安全、關鍵材料自主化等考量，促使全球化合物半導體大廠積極佈局。對於在全球化合物半導體制程代工佔有七至八成市場的臺灣產業來說，無論是在材料的自主研發，甚至是相關製程的精進、設備國產化等，都需進一步建立完整的產業能量，才能在下世代化合物半導體市場中站穩腳步。