三類半導體材料各擅勝場 不會相互取代

從矽半導體到化合物半導體，氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)新一代半導體材料來勢洶洶，開拓出高功率、高頻率等全新應用，也讓業界開始熱烈討論不同半導體材料之間的競爭，甚至是否可能相互取代？

穩懋半導體技術行銷處資深協理黃智文在日前舉行的D Webinar 2021新興科技論壇中，以「化合物半導體的優勢與應用發展」為題，介紹化合物半導體的技術特性與發展潛力。他認為，目前業界廣泛使用「第三代半導體材料」來描述氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)，但可能會有誤導之嫌，建議大家使用「第三類半導體」材料來指涉會更為合適。

目前半導體材料主要涵蓋三類，第一類是大家所熟知的矽半導體，市面上多數消費性晶片都是靠它來實現，第二類則是砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)這類材料，具有速率快、低雜訊等特性，至於GaN和SiC則適合高電壓應用，又有散熱性佳的優勢，特別適用於需要快速充電的自駕車、高頻元件等領域。

究竟第三類半導體材料是否可能取代第一、二類材料？或者只由最成熟的矽材料來實現所有應用即可？黃智文分析，當前日常生活中的多數晶片，因為頻率及功率不高，可由普遍的矽半導體來完成，憑藉其低功耗、高整合度及成本優勢，已經廣泛運用在數位邏輯電路類的中央處理器(CPU)、微控制器(MCU)、感測器等晶片中。

第二類半導體材料具有頻率高、雜訊低等特性，目前最常應用在手機、衛星通訊、Wi-Fi等產品，在RF收發端扮演不可或缺的角色；第三類半導體材料則是以其高功率、高電壓、散熱佳等優點，可在基地台、電動車、風力發電、高速鐵路等應用發揮所長。

隨著產業進入後5G時代之後，對於通訊規格的要求會更上一層樓，才能滿足更多影音、資料的傳輸及更廣泛的涵蓋範圍，類似這些高頻、高功率的晶片需求，第二類及第三類的化合物半導體勢將扮演更重要角色。

黃智文強調，單一半導體材料都無法涵蓋所有應用，彼此有清楚的市場區隔，沒有相互取代的問題，預期這三類半導體材料各擁特色，可在擅長領域持續發光發熱。

目前化合物半導體已廣泛應用於衛星通訊、光通訊、5G基地台、手機晶片、RF收發端，但後續的潛力發展空間還很大。Elon Musk所創辦的SpaceX這家公司，就打算廣泛佈建低軌道衛星，未來在地表上所有地方都能隨時隨地、自由自在地溝通，甚至在飛機上、船上也能透過衛星連結地面接收站，與想要聯繫的人或自駕車進行溝通。

另一方面，儘管6G標準還在非常早期的倡議階段，但專家學者都有共識，希望6G在傳輸速率、連結密度、涵蓋範圍等指標都要有更顯著進步，類似這樣的高頻、高功率的應用，都會高度仰賴化合物半導體。

除了大家所熟知的RF，化合物半導體在光的應用領域也很值得期待，像是行動支付所需的生物辨識晶片、自駕車的光達(LiDAR)的光源等，也都將大量採用化合物半導體。