功率/射频/光源应用力挺 化合物半导体熬出头

化合物半导体的出现，让芯片的应用从最早的逻辑运算，逐渐扩展到射频、光电与感测等新领域。 而随着半导体应用层面日广，许多产业原有的供应链生态跟游戏规则，也随着被颠覆。 照明产业从白炽灯、阴极管转向LED，就是一个鲜明的案例。

化合物半导体是一个非常庞大的概念，泛指各种使用三五族(III-V)、二六族(II-VI)及四六族(IV-VI)化合物材料的半导体组件。 化合物材料有许多不同于硅、锗等传统半导体材料的特性，其中最广为人知的特性就是直接能隙(Direct Bandgap)以及在超高频率下运作。 此外，有些化合物材料则具备很高的能源转换效率，例如在电源芯片领域掀起革命的氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)，便分属于三五族及四六族半导体(图1)。

图1 化合物半导体种类繁多，应用范畴极为宽广。

数据源：SEMI

化合物半导体的出现，对半导体应用的扩张极为重要。 在化合物材料成熟之前，半导体组件最主要的应用产品是各种内存、处理器或逻辑组件，但在化合物材料逐渐成熟后，射频、感测及光电组件开始成为半导体产业中不可忽视的势力，同时也对通讯、照明等领域产生极大颠覆。 但化合物半导体的能耐不仅如此而已，接下来汽车、能源等领域，也将会因为化合物半导体的成熟而出现天翻地覆的改变。

化合物材料十八般武艺样样通

直接能隙是化合物半导体材料最广为人知，同时应用也最成熟的特性之一。 具备直接能隙的材料，在电子从导电带往价电带转移时，绝大部分能量都会以光的形式释放出来，而属于间接能隙(Indirect Bandgap)的硅材料则不同，在电子转移时，大部分能量会以热的形式释出，仅有一小部分会转换成光。 因此，直接能隙这项特性与各种光电半导体的出现息息相关，从最成熟的发光二极管(LED)，到光通讯所使用的雷射光源及传感器，都是直接能隙特性的应用。

至于在超高运作频率方面，化合物半导体同样具备硅难以相提并论的特性。 以射频应用为例，在无线通信所使用的频段持续往高频发展的过程中，化合物半导体的进展总是扮演开路先锋的角色。 例如在802.11a技术刚开始商品化，将Wi-Fi通讯频段推向5GHz的早期阶段，市场上几乎找不到5GHz CMOS射频功率放大器(PA)组件。 同样的，目前话题正热的5G毫米波(mmWave)通讯，由于通讯频段落在28GHz、39GHz甚至70GHz以上，相关射频PA组件在可预见的未来，都将是化合物半导体的天下。

在电源管理领域，氮化镓与碳化硅这两项新材料，则正在酝酿一波翻天覆地的大革命。 相较于传统以硅为基础的电源转换芯片，氮化镓与碳化硅组件不仅转换效率更高，而且也有助于实现更小型化的电源系统设计。 预估在未来数年内，氮化镓组件将可望在功率输出400瓦以下的中低功率电源应用大量普及，而碳化硅组件则可望占据600瓦以上的高功率市场。 包含电动车的电池管理系统(Battery Management System, BMS)、可以与再生能源搭配使用的能源储存系统(Energy Storage System,ESS)，以及数据中心所使用的电源供应器，都将因氮化镓及碳化硅组件的应用，而在效能上大有突破。

光通讯/光感测发展前景同样亮眼

联颖光电技术长林嘉孚(图2右)引述Strategic Analytics的统计数据表示，2015年全球化合物半导体的市场规模约为240亿美元左右，其中LED是最大的应用领域，占整体化合物半导体市场的五成多；其次则是射频通讯组件，占比超过四成，其他应用的占比极低。 不过，随着5G通讯、电源管理等应用崛起，化合物半导体在光通讯及电源管理、光感测等领域的表现将会更加出色，至于已经连续多年高速成长的射频应用，则会因为手机市场渐趋饱和而成长趋缓，预估到2020年时，射频组件占化合物半导体市场的比重会降低到25%上下。

图2 SEMI台湾区总裁曹世纶(中)、联颖光电技术长林嘉孚(右)及SEMI台湾区产业研究资深经理曾瑞榆(左)

综合SEMI及Strategic Analytics的数据，到了2020年，化合物半导体的整体市场规模将大幅成长到440亿美元，复合年增率(CAGR)达12.9%，与整体半导体市场6.5%的CAGR相比，表现极为亮眼。 因此，不管是LED、射频还是其他应用，其市场规模都会显著成长。

事实上，扣除LED与通讯关联性较低之外，其他化合物半导体不断成长，都跟数据通讯流量持续提升的大趋势有关。 数据流量的不断成长，推升了数据中心与行动网络布建的需求，同时也为化合物半导体带来多样化的应用机会。 除了前面提到的电源系统外，光纤通讯所使用的雷射光源、光传感器(PhotonDetector)，也都会大幅成长。

而提到光源应用，垂直腔面激发雷射(VCSEL)则是不可不提的重要技术。 VCSEL不仅可以用在光纤通讯，也可以应用在接近传感器这类消费性应用上，而且与现有的解决方案相比，以VCSEL为基础的接近传感器更适合实现各种三度空间的感测，对于虚拟现实(VR)、扩增实境(AR)的发展相当关键。

抢攻毫米波通讯市场 化合物半导体当仁不让

至于在射频通讯领域，虽然整体市场成长动能因智能型手机饱和而趋缓，但5G所提出的毫米波通讯，将可望带来结构性的转变。 5G对射频组件带来许多新的挑战，例如更高的通讯频段、更宽的带宽，同时漏电流要更低，以纾解功耗跟散热方面的问题。

业界普遍认为，毫米波是难度很高的技术关卡，但林嘉孚认为，对硅半导体来说或许是如此，但是对化合物半导体来说，问题其实不大。 目前6GHz以下的PA组件，最主流的材料制程是GaAs HBT；28GHz39GHz则可分成两大类，分别是智能型手机用的GaAs HEMT，以及适合小型基地台应用的GaN HEMT。 至于70GHz以上的超高频段，则有InP HBT、GaN HEMT、GaAs HEMT等多种制程跟材料选择。 这些都是已经可以量产的制程跟材料技术(图3)。

图3 可用来实现毫米波功率放大器的各种化合物半导体材料及制程。

数据源：SEMI

多年媳妇熬成婆 化合物半导体崭露头角

事实上，化合物半导体发展的历史，和硅半导体相去不远。 很多制程跟材料技术，都已经酝酿了二十年以上，只是因为市场规模不如硅半导体，而较不受到市场关注。

不过，半导体业界内部，对于化合物半导体技术发展的注意力从来就不曾少过。 林嘉孚回忆，他在二十年前选择进入化合物半导体产业时，最主要的原因就是化合物半导体能实现很多硅半导体所不能做到的功能，而且这些技术若能成功商品化，都具备改变人类生活的潜力，可说是非常梦幻的一个产业。

当然，世事发展不总是尽如预料。 林嘉孚有点开自己玩笑地说：「在化合物半导体产业耕耘二十年，头发都白了，才终于盼到化合物半导体起飞的机会。 」但不可否认的是，化合物半导体确实具备极大的发展潜力，甚至能颠覆其他传统产业。 例如照明产业，自从钨丝灯泡跟日光灯管出现后，照明设备有几十年没有出现过重大的技术创新。 但如今，LED已经完全改变了照明产业的样貌，钨丝灯泡跟日光灯管都快要步下舞台了。

同样的例子也发生在电信产业，而且这个革命来得更早。 在行动通讯技术出现前，市话业务曾经是每家电信业者赖以为生的金鸡母，但如今市话业务对电信业者的重要性早已大不如前，行动通讯才是大多数电信业者的必争之地。

半导体应用无孔不入 SEMI服务领域大举扩张

有鉴于化合物半导体的市场规模及重要性不断增加，并且为半导体产业带来更多应用，为整个半导体产业提供多样化服务的产业组织SEMI，近年来服务范畴也不断扩大。 其中，跨足LED及绿能，都跟化合物半导体有密不可分的关系。 加上近期整并软性电子及MEMS传感器领域的两大产业组织FlexTech及MEMS & Sensors Industry Group，SEMI串连起整个电子产业的能力更进一步增强。

SEMI台湾区总裁曹世纶(图2中)表示，半导体组件已经无所不在，近期台湾政府大力推动的五大创新产业，将在现有的基础上，为半导体带来更多应用出海口。 不过，不同的垂直产业，对于半导体解决方案的需求也不一样，因此，SEMI必然要跨出以往只专注在硅晶圆制造、IC设计、封装等传统领域，往化合物半导体、软硬电子、传感器等范畴进行布局。

林嘉孚则表示，化合物半导体跟硅晶半导体有很类似的产业结构，只是其中的成员不同。 正如同硅晶半导体产业链有晶圆制造、设备、封装测试、IC设计等角色分工，化合物半导体产业的垂直分工也是一样的，只是晶圆制造改称为磊晶成长。 不过，由于材料大不相同，因此身处硅晶产业链的业者要跨进化合物半导体产链，有很高的进入障碍。

台湾有很完整的硅晶产业，产业沟通协调与整合能力也是世界一流，SEMI所创造的产业平台是背后的主要功臣之一。 在SEMI扩大对化合物半导体领域的服务后，林嘉孚相信，台湾的化合物半导体产业，将可有更好的沟通协调平台。 这对于台湾的化合物半导体产业发展是一大福音，同时也会让台湾的半导体产业在面对中国同业崛起时，增加更多战略上的筹码。

事实上，除了LED之外，很多化合物半导体的应用技术因为涉及军事国防，因此受到高度管制，中国同业想取得相关技术的难度，只会比硅晶技术更高。 目前看来，若中国想全面发展自己的化合物半导体产业，跨出LED领域后，只能靠自己摸索。 但台湾的化合物半导体产业并未受到管制，不管是要从外部取得技术，或是与国外业者进行合作研发，空间都比较大。 这是台湾化合物半导体产业发展上的一大优势。