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