化合物半導體材料或成新一代半導體發展的重要關鍵

傳統硅半導體因自身發展侷限和摩爾定律限制，需尋找下一世代半導體材料，化合物半導體材料是新一代半導體發展的重要關鍵嗎？

化合物半導體材料的高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性，恰好符合未來半導體發展所需，終端產品趨勢將由 5G 通訊、車用電子與光通訊領域等應用主導。

手機通訊領域帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升

根據現行化合物半導體元件供應鏈，元件制程最初步驟由晶圓制造商選擇適當特性的基板（Substrate），以硅、鍺與砷化鎵等材料做為半導體元件制程的基板，基板決定后再由磊晶廠依不同元件的功能需求，于基板上長成數層化合物半導體的磊晶層，待成長完成后，再透過 IDM 廠或 IC 設計、制造與封裝等步驟，完成整體元件的制造流程，最終由終端產品廠商組裝和配置元件線路，生產手機與汽車等智慧應用產品。

元件產品依循化合物半導體材料特性（如耐高溫、抗高電壓、抗輻射與可發光）加以開發，將終端市場分為 5 個領域：電源控制（Power Control）、無線通訊（Wireless）、紅外線（Infrared）、太陽能（Solar）與光通訊（Photonics）。

近年手機通訊領域蓬勃發展，帶動無線模塊關鍵零組件濾波器（Filter）、開關元件（Switch）與功率放大器（Power Amplifier）等元件需求成長；而砷化鎵材料因具有低噪聲、低耗電、高頻與高效率等特點，已廣泛應用于手機通訊并占有重要地位，帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升。

化合物半導體磊晶廠未來發展

針對化合物半導體未來的終端市場需求，依照不同元件特性可分為傳輸和無線通訊的 5G 芯片、耐高溫與抗高電壓的車用芯片，以及可接收和回傳訊號的光通訊芯片三大領域。藉由 5G 芯片、車用芯片與光通訊芯片的元件開發，將帶動未來磊晶廠營收和資本支出，確立未來投資方向。

由化合物半導體發展趨勢可知，未來元件需求將以高速、高頻與高功率等特性，連結 5G 通訊、車用電子與光通訊領域的應用，突破硅半導體摩爾定律限制。

硅半導體元件因受限于電子遷移率（Electron Mobility）、發光效率與環境溫度等限制，難以滿足元件特性需求，因此當化合物半導體出現，其高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性，為元件發展的未來性提供新契機。

隨著科技發展，化合物半導體的元件制程技術亦趨成熟，傳統硅半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻制程步驟，皆已成功轉置到化合物半導體，有助于后續半導體產業持續發展。

在無線通訊領域，現行廠商逐漸由原先 4G 設備更新至 5G 基礎建設，5G 基地臺的布建密度將更甚 4G，且基地臺內部使用的功率元件，將由寬能帶氮化鎵功率元件取代 DMOS（雙重擴散金氧半場效晶體管）元件。

由于砷化鎵射頻元件市場多由 IDM 廠（如 Skyworks、Qorvo與Broadcom）把持，因此只有當需求超過 IDM 廠負荷時，才會將訂單發包給其他元件代工廠，對其他欲投入元件代工的廠商而言則更困難。由于中國手機市場對射頻元件的國內需求增加，且預期 5G 手機滲透率將提升，或許中國代工廠商的射頻制程技術提升后，可趁勢打入砷化鎵代工供應鏈，提高射頻元件市占率。

車用芯片部分，由于使用環境要求（需于高溫、高頻與高功率下操作），并配合汽車電路上的電感和電容等，使得車用元件體積較普通元件尺寸占比大，透過化合物半導體中，寬能帶半導體材料氮化鎵和碳化硅等特性，將有助實現縮小車用元件尺寸。

藉由氮化鎵和碳化硅取代硅半導體，減少車用元件切換時的耗能已逐漸成為可能。以氮化鎵和碳化硅材料作為車用功率元件時，由于寬能帶材料特性，可大幅縮減周圍電路體積，達到模塊輕量化效果，且氮化鎵和碳化硅較硅半導體有不錯的散熱特性，可減少散熱系統模塊，進一步朝車用輕量化目標邁進。

此外，車用芯片對光達（LiDAR）傳感器的應用也很重要，為了實現自駕車或無人車技術，先進駕駛輔助系統（ADAS）的光達傳感器不可或缺，透過氮化鎵和砷化鎵磊晶材料滿足元件特性，成為光達傳感器所需。

光通訊芯片方面，為了解決金屬導線傳遞訊號的限制和瓶頸，因而開發以雷射光在光纖中為傳遞源的概念，突破原先電子透過金屬纜線下容易發生電阻和電容時間延遲（RC Delay）現象，且藉由雷射光快速傳遞和訊號不易衰退特性，使得硅光子技術（Silicon Photonics）逐漸受到重視。

由于光通訊芯片對光收發模塊的需要，PD（光偵測器）與 LD（雷射偵測器）等模塊需求上升，帶動砷化鎵與磷化銦磊晶市場。

近年手機搭配 3D 感測應用有明顯成長趨勢，帶動 VCSEL（垂直腔面發射激光器）元件需求增加，砷化鎵磊晶也逐步升溫，未來 3D 感測用的光通訊芯片，應用范圍除了手機，亦將擴充至眼球追蹤技術、安防領域（Security）、虛擬實境（VR）與近接辨識等領域。