磷化銦：化合物半導體的下一張拼圖

政府日前宣布了「南方雨林」計畫，預計在台南沙崙建置首座化合物半導體產業專區，發展以應用於車用動力系統為主的半導體元件。化合物半導體由第二代的砷化鎵(GaAs)，到第三代的碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)，甚至到所謂第四代的氧化鎵(Ga2O3)，台灣的產業確有相當的條件，在全球的舞台上扮演重要的角色，甚至成為未來的護國群山之一。

台灣的砷化鎵化合物半導體產業肇始於20多年前，一群由美國歸國的學人所建立，歷經了10餘年的慘澹經營，終於在無線行動通訊的功率放大器找到了充裕的出海口而發光發熱。第三代半導體碳化矽及氮化鎵，台灣產業是在10年前開始投入，也是歷經了10年，於最近因為電動車電控及充電系統之需，開始受到普遍的關注。若我們期望化合物半導體能成為我們的護國群山之一，不禁得捫心自問：下一張拼圖在那裏？

磷化銦化合物半導體是我個人在80年代末期，於美國留學期間所從事論文的研究題目，在當時是一個熱門的題目。以磷化銦為基版所衍生的高速電子元件，其速度表現是目前人類所能製作出元件的極致，主要應用場域在次毫米波(sub-mm wave；30~300 GHz)的頻段。但是長久以來一直是個小眾的市場，如國防、太空以及無線電天文台的接收器。目前5G的行動通訊以及低軌道衛星(LEO)通訊，已經進入了毫米波的紀元，未來在頻寬持續的需求下，載波的操作頻率勢必會往更高頻的方向走，磷化銦的重要性就不可言喻了。

磷化銦的異質結構雙極性電晶體(InP HBT)，是我個人認為最夢幻的超高速電子元件，因為InP/InGaAs的異質結構是在HBT元件裡的最佳選擇，它的優越性超越了砷化鎵GaAs HBT以及相關的HEMT。5G毫米波(mmWave)的手機目前僅能在有限的時間，需要大量的數據傳輸中使用，主要原因在於毫米波的功率放大器的效率不佳，一般都在50%以下，使得手機的電池不足以維持長時間的使用。而磷化銦HBT是有機會突破此一瓶頸，讓毫米波行動通訊能更為普遍。

磷化銦除了在高速元件有資格大放異彩外，在光通訊所需的半導體雷射也扮演舉足輕重的角色。波長在1.55微米的雷射是在光纖內傳輸能量損耗最低的，而也只有以磷化銦為基板的半導體雷射可達到此長波長。過去一直以來相關的應用都侷限在長距離的光纖通訊，如海底光纜及都會區的主幹光纖網路，屬於利基型的市場。但隨著雲端資料中心的快速成長，相對的需求也逐步水漲船高，同時半導體雷射所需乘載的數據也高達每秒100 Gbit，這一切都需要磷化銦化合物半導體。

磷化銦由於長久以來，其應用的領域大都在小眾的利基市場，也因此產業規模相對狹隘，導致一般的刻板印象是價格昂貴，甚至由有些產品還在使用2吋的晶圓。但隨著應用的出海口逐步打開，磷化銦相關的技術在20多年前就已開發的相當完備，若此時能超前部署，就會是台灣的機會。

台灣在以矽半導體為主體的產業鏈，已經建立了堅實的基礎，有了這充沛的資源足以支持化合物半導體的發展，不論就人才、技術以及產業架構，都可以收到事半功倍之效。因此之故，國內幾家半導體晶圓大廠，也相繼地投入化合物半導體的領域。但是我們也需要謹慎以對，畢竟在化合物半導體的產業鏈，不能像矽半導體一樣做太細的產業分工，需要有適當的整合。比如說碳化矽在電動車的應用，就需要晶圓廠與封裝廠密切的合作。而磷化銦的各類元件在磊晶上是相對的複雜，就需要磊晶廠與晶圓廠密切的配合。

我們期望磷化銦在台灣，能繼砷化鎵、碳化矽及氮化鎵，成為化合物半導體產業的下一張拼圖。但如果同時我們又期待化合物半導體能成為我們的護國群山之一，那就需要將產業鏈做適當的整併，唯有足夠規模且整合的公司，才有可能承擔護國群山的重責大任。