功率/射頻/光源應用力挺 化合物半導體熬出頭

化合物半導體的出現，讓晶片的應用從最早的邏輯運算，逐漸擴展到射頻、光電與感測等新領域。

而隨著半導體應用層面日廣，許多產業原有的供應鏈生態跟遊戲規則，也隨著被顛覆。

照明產業從白熾燈、陰極管轉向LED，就是一個鮮明的案例。

化合物半導體是一個非常龐大的概念，泛指各種使用三五族(III-V)、二六族(II-VI)及四六族(IV-VI)化合物材料的半導體組件。

化合物材料有許多不同於矽、鍺等傳統半導體材料的特性，其中最廣為人知的特性就是直接能隙(Direct Bandgap)以及在超高頻率下運作。

此外，有些化合物材料則具備很高的能源轉換效率，例如在電源晶片領域掀起革命的氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)，便分屬於三五族及四六族半導體(圖1)。

圖1 化合物半導體種類繁多，應用範疇極為寬廣。

數據源：SEMI

化合物半導體的出現，對半導體應用的擴張極為重要。

在化合物材料成熟之前，半導體組件最主要的應用產品是各種內存、處理器或邏輯組件，但在化合物材料逐漸成熟後，射頻、感測及光電組件開始成為半導體產業中不可忽視的勢力，同時也對通訊、照明等領域產生極大顛覆。

但化合物半導體的能耐不僅如此而已，接下來汽車、能源等領域，也將會因為化合物半導體的成熟而出現天翻地覆的改變。

化合物材料十八般武藝樣樣通

直接能隙是化合物半導體材料最廣為人知，同時應用也最成熟的特性之一。

具備直接能隙的材料，在電子從導電帶往價電帶轉移時，絕大部分能量都會以光的形式釋放出來，而屬於間接能隙(Indirect Bandgap)的矽材料則不同，在電子轉移時，大部分能量會以熱的形式釋出，僅有一小部分會轉換成光。

因此，直接能隙這項特性與各種光電半導體的出現息息相關，從最成熟的發光二極體(LED)，到光通訊所使用的雷射光源及傳感器，都是直接能隙特性的應用。

至於在超高運作頻率方面，化合物半導體同樣具備矽難以相提並論的特性。

以射頻應用為例，在無線通信所使用的頻段持續往高頻發展的過程中，化合物半導體的進展總是扮演開路先鋒的角色。

例如在802.11a技術剛開始商品化，將Wi-Fi通訊頻段推向5GHz的早期階段，市場上幾乎找不到5GHz CMOS射頻功率放大器(PA)組件。

同樣的，目前話題正熱的5G毫米波(mmWave)通訊，由於通訊頻段落在28GHz、39GHz甚至70GHz以上，相關射頻PA組件在可預見的未來，都將是化合物半導體的天下。

在電源管理領域，氮化鎵與碳化矽這兩項新材料，則正在醞釀一波翻天覆地的大革命。

相較於傳統以矽為基礎的電源轉換晶片，氮化鎵與碳化矽組件不僅轉換效率更高，而且也有助於實現更小型化的電源系統設計。

預估在未來數年內，氮化鎵組件將可望在功率輸出400瓦以下的中低功率電源應用大量普及，而碳化矽組件則可望占據600瓦以上的高功率市場。

包含電動車的電池管理系統(Battery Management System, BMS)、可以與再生能源搭配使用的能源儲存系統(Energy Storage System,ESS)，以及數據中心所使用的電源供應器，都將因氮化鎵及碳化矽組件的應用，而在效能上大有突破。

光通訊/光感測發展前景同樣亮眼

聯穎光電技術長林嘉孚(圖2右)引述Strategic Analytics的統計數據表示，2015年全球化合物半導體的市場規模約為240億美元左右，其中LED是最大的應用領域，占整體化合物半導體市場的五成多；其次則是射頻通訊組件，占比超過四成，其他應用的占比極低。

不過，隨著5G通訊、電源管理等應用崛起，化合物半導體在光通訊及電源管理、光感測等領域的表現將會更加出色，至於已經連續多年高速成長的射頻應用，則會因為手機市場漸趨飽和而成長趨緩，預估到2020年時，射頻組件占化合物半導體市場的比重會降低到25%上下。

圖2 SEMI台灣區總裁曹世綸(中)、聯穎光電技術長林嘉孚(右)及SEMI台灣區產業研究資深經理曾瑞榆(左)

綜合SEMI及Strategic Analytics的數據，到了2020年，化合物半導體的整體市場規模將大幅成長到440億美元，複合年增率(CAGR)達12.9%，與整體半導體市場6.5%的CAGR相比，表現極為亮眼。

因此，不管是LED、射頻還是其他應用，其市場規模都會顯著成長。

事實上，扣除LED與通訊關聯性較低之外，其他化合物半導體不斷成長，都跟數據通訊流量持續提升的大趨勢有關。

數據流量的不斷成長，推升了數據中心與行動網絡布建的需求，同時也為化合物半導體帶來多樣化的應用機會。

除了前面提到的電源系統外，光纖通訊所使用的雷射光源、光傳感器(PhotonDetector)，也都會大幅成長。

而提到光源應用，垂直腔面激發雷射(VCSEL)則是不可不提的重要技術。

VCSEL不僅可以用在光纖通訊，也可以應用在接近傳感器這類消費性應用上，而且與現有的解決方案相比，以VCSEL為基礎的接近傳感器更適合實現各種三度空間的感測，對於虛擬現實(VR)、擴增實境(AR)的發展相當關鍵。

搶攻毫米波通訊市場 化合物半導體當仁不讓

至於在射頻通訊領域，雖然整體市場成長動能因智能型手機飽和而趨緩，但5G所提出的毫米波通訊，將可望帶來結構性的轉變。

5G對射頻組件帶來許多新的挑戰，例如更高的通訊頻段、更寬的帶寬，同時漏電流要更低，以紓解功耗跟散熱方面的問題。

業界普遍認為，毫米波是難度很高的技術關卡，但林嘉孚認為，對矽半導體來說或許是如此，但是對化合物半導體來說，問題其實不大。

目前6GHz以下的PA組件，最主流的材料製程是GaAs HBT；28GHz39GHz則可分成兩大類，分別是智能型手機用的GaAs HEMT，以及適合小型基地台應用的GaN HEMT。

至於70GHz以上的超高頻段，則有InP HBT、GaN HEMT、GaAs HEMT等多種製程跟材料選擇。

這些都是已經可以量產的製程跟材料技術(圖3)。

圖3 可用來實現毫米波功率放大器的各種化合物半導體材料及製程。

數據源：SEMI

多年媳婦熬成婆 化合物半導體嶄露頭角

事實上，化合物半導體發展的歷史，和矽半導體相去不遠。

很多製程跟材料技術，都已經醞釀了二十年以上，只是因為市場規模不如矽半導體，而較不受到市場關注。

不過，半導體業界內部，對於化合物半導體技術發展的注意力從來就不曾少過。

林嘉孚回憶，他在二十年前選擇進入化合物半導體產業時，最主要的原因就是化合物半導體能實現很多矽半導體所不能做到的功能，而且這些技術若能成功商品化，都具備改變人類生活的潛力，可說是非常夢幻的一個產業。

當然，世事發展不總是盡如預料。

林嘉孚有點開自己玩笑地說：「在化合物半導體產業耕耘二十年，頭髮都白了，才終於盼到化合物半導體起飛的機會。

」但不可否認的是，化合物半導體確實具備極大的發展潛力，甚至能顛覆其他傳統產業。

例如照明產業，自從鎢絲燈泡跟日光燈管出現後，照明設備有幾十年沒有出現過重大的技術創新。

但如今，LED已經完全改變了照明產業的樣貌，鎢絲燈泡跟日光燈管都快要步下舞台了。

同樣的例子也發生在電信產業，而且這個革命來得更早。

在行動通訊技術出現前，市話業務曾經是每家電信業者賴以為生的金雞母，但如今市話業務對電信業者的重要性早已大不如前，行動通訊才是大多數電信業者的必爭之地。

半導體應用無孔不入 SEMI服務領域大舉擴張

有鑒於化合物半導體的市場規模及重要性不斷增加，並且為半導體產業帶來更多應用，為整個半導體產業提供多樣化服務的產業組織SEMI，近年來服務範疇也不斷擴大。

其中，跨足LED及綠能，都跟化合物半導體有密不可分的關係。

加上近期整並軟性電子及MEMS傳感器領域的兩大產業組織FlexTech及MEMS & Sensors Industry Group，SEMI串連起整個電子產業的能力更進一步增強。

SEMI台灣區總裁曹世綸(圖2中)表示，半導體組件已經無所不在，近期台灣政府大力推動的五大創新產業，將在現有的基礎上，為半導體帶來更多應用出海口。

不過，不同的垂直產業，對於半導體解決方案的需求也不一樣，因此，SEMI必然要跨出以往只專注在矽晶圓製造、IC設計、封裝等傳統領域，往化合物半導體、軟硬電子、傳感器等範疇進行布局。

林嘉孚則表示，化合物半導體跟矽晶半導體有很類似的產業結構，只是其中的成員不同。

正如同矽晶半導體產業鏈有晶圓製造、設備、封裝測試、IC設計等角色分工，化合物半導體產業的垂直分工也是一樣的，只是晶圓製造改稱為磊晶成長。

不過，由於材料大不相同，因此身處矽晶產業鏈的業者要跨進化合物半導體產鏈，有很高的進入障礙。

台灣有很完整的矽晶產業，產業溝通協調與整合能力也是世界一流，SEMI所創造的產業平台是背後的主要功臣之一。

在SEMI擴大對化合物半導體領域的服務後，林嘉孚相信，台灣的化合物半導體產業，將可有更好的溝通協調平台。

這對於台灣的化合物半導體產業發展是一大福音，同時也會讓台灣的半導體產業在面對中國同業崛起時，增加更多戰略上的籌碼。

事實上，除了LED之外，很多化合物半導體的應用技術因為涉及軍事國防，因此受到高度管制，中國同業想取得相關技術的難度，只會比矽晶技術更高。

目前看來，若中國想全面發展自己的化合物半導體產業，跨出LED領域後，只能靠自己摸索。

但台灣的化合物半導體產業並未受到管制，不管是要從外部取得技術，或是與國外業者進行合作研發，空間都比較大。

這是台灣化合物半導體產業發展上的一大優勢。