摩尔定律限制硅半导体发展，化合物半导体材料成新解？

传统硅半导体因自身发展侷限和摩尔定律限制，需寻找下一世代半导体材料，化合物半导体材料是新一代半导体发展的重要关键吗？

化合物半导体材料的高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合未来半导体发展所需，终端产品趋势将由 5G 通讯、车用电子与光通讯领域等应用主导。

手机通讯领域带动砷化镓磊晶需求逐年提升

根据现行化合物半导体元件供应链，元件制程最初步骤由晶圆制造商选择适当特性的基板（Substrate），以硅、锗与砷化镓等材料做为半导体元件制程的基板，基板决定后再由磊晶厂依不同元件的功能需求，于基板上长成数层化合物半导体的磊晶层，待成长完成后，再透过 IDM 厂或 IC 设计、制造与封装等步骤，完成整体元件的制造流程，最终由终端产品厂商组装和配置元件线路，生产手机与汽车等智慧应用产品。

元件产品依循化合物半导体材料特性（如耐高温、抗高电压、抗辐射与可发光）加以开发，将终端市场分为 5 个领域：电源控制（Power Control）、无线通讯（Wireless）、红外线（Infrared）、太阳能（Solar）与光通讯（Photonics）。

近年手机通讯领域蓬勃发展，带动无线模块关键零组件滤波器（Filter）、开关元件（Switch）与功率放大器（Power Amplifier）等元件需求成长；而砷化镓材料因具有低噪声、低耗电、高频与高效率等特点，已广泛应用于手机通讯并占有重要地位，带动砷化镓磊晶需求逐年提升。

化合物半导体磊晶厂未来发展

针对化合物半导体未来的终端市场需求，依照不同元件特性可分为传输和无线通讯的 5G 芯片、耐高温与抗高电压的车用芯片，以及可接收和回传讯号的光通讯芯片三大领域。藉由 5G 芯片、车用芯片与光通讯芯片的元件开发，将带动未来磊晶厂营收和资本支出，确立未来投资方向。

由化合物半导体发展趋势可知，未来元件需求将以高速、高频与高功率等特性，连结 5G 通讯、车用电子与光通讯领域的应用，突破硅半导体摩尔定律限制。

（Source：拓墣产业研究院，2019.3）

硅半导体元件因受限于电子迁移率（Electron Mobility）、发光效率与环境温度等限制，难以满足元件特性需求，因此当化合物半导体出现，其高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，为元件发展的未来性提供新契机。

随着科技发展，化合物半导体的元件制程技术亦趋成熟，传统硅半导体的薄膜、曝光、显影与蚀刻制程步骤，皆已成功转置到化合物半导体，有助于后续半导体产业持续发展。

在无线通讯领域，现行厂商逐渐由原先 4G 设备更新至 5G 基础建设，5G 基地台的布建密度将更甚 4G，且基地台内部使用的功率元件，将由宽能带氮化镓功率元件取代 DMOS（双重扩散金氧半场效晶体管）元件。

由于砷化镓射频元件市场多由 IDM 厂（如 Skyworks、Qorvo与Broadcom）把持，因此只有当需求超过 IDM 厂负荷时，才会将订单发包给其他元件代工厂，对其他欲投入元件代工的厂商而言则更困难。由于中国手机市场对射频元件的国内需求增加，且预期 5G 手机渗透率将提升，或许中国代工厂商的射频制程技术提升后，可趁势打入砷化镓代工供应链，提高射频元件市占率。

车用芯片部分，由于使用环境要求（需于高温、高频与高功率下操作），并配合汽车电路上的电感和电容等，使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大，透过化合物半导体中，宽能带半导体材料氮化镓和碳化硅等特性，将有助实现缩小车用元件尺寸。

藉由氮化镓和碳化硅取代硅半导体，减少车用元件切换时的耗能已逐渐成为可能。以氮化镓和碳化硅材料作为车用功率元件时，由于宽能带材料特性，可大幅缩减周围电路体积，达到模块轻量化效果，且氮化镓和碳化硅较硅半导体有不错的散热特性，可减少散热系统模块，进一步朝车用轻量化目标迈进。

此外，车用芯片对光达（LiDAR）传感器的应用也很重要，为了实现自驾车或无人车技术，先进驾驶辅助系统（ADAS）的光达传感器不可或缺，透过氮化镓和砷化镓磊晶材料满足元件特性，成为光达传感器所需。

光通讯芯片方面，为了解决金属导线传递讯号的限制和瓶颈，因而开发以雷射光在光纤中为传递源的概念，突破原先电子透过金属缆线下容易发生电阻和电容时间延迟（RC Delay）现象，且藉由雷射光快速传递和讯号不易衰退特性，使得硅光子技术（Silicon Photonics）逐渐受到重视。

由于光通讯芯片对光收发模块的需要，PD（光侦测器）与 LD（雷射侦测器）等模块需求上升，带动砷化镓与磷化铟磊晶市场。

近年手机搭配 3D 感测应用有明显成长趋势，带动 VCSEL（垂直腔面发射激光器）元件需求增加，砷化镓磊晶也逐步升温，未来 3D 感测用的光通讯芯片，应用范围除了手机，亦将扩充至眼球追踪技术、安防领域（Security）、虚拟实境（VR）与近接辨识等领域。