次世代化合物半导体怎么就成了香饽饽？

李铮

说起半导体晶片，多数人的第一联想就是硅晶圆，比如全球最大的硅晶圆代工厂就是台积电。但很多人不知道，其实半导体还有非常多类型，其中砷化镓（GaAs），因为是制造高功率IC（集成电路）的原料，而成为近年来当红的化合物半导体，无论是人脸识别、无人车、5G基站等技术都需要它，可说是下个世代智慧科技最关键的半导体晶圆。

化合物半导体属于元素周期表中两个或多个不同族的化学元素，砷化镓属于IIIA族和V族复合半导体材料（电子术语三五族）。与单一元素的硅半导体相比，化合物半导体具有独特的材料特性，例如直接带隙（direct bandgap）、高击穿电压（high break down voltage）及高电子迁移率（electron mobility），可用于制造高频、高速、大功率、低噪声、耐高温、抗辐照的集成电路。

举个简单的例子，砷化镓做成的电晶体，其中电子的移动速度大约是一般硅电晶体的6到8倍，所以非常适合于高速电路的应用。大家可能很好奇，既然有这么多好处，为什么现在市面上主要还是以硅的半导体为主？

其中有一个主要的原因是化合物半导体制成的电晶体，由于材料的可靠度及散热一般不如硅基元件，不容易做成高密度的集成电路，因此不适合用于需要大量电晶体的逻辑运算芯片，例如电脑中的CPU及目前非常受瞩目的AI运算GPU。利用目前先进的硅半导体制程（如台积电的5纳米），单一芯片中的电晶体数目可轻易达到数十亿甚至到数百亿个的等级。

目前，全球砷化镓厂商主要有德国Freiberger、日本住友、中国先导集团、美国AXT等，这四大厂商共占有大约79%的全球市场份额。我国为加快摆脱大尺寸砷化镓生产工艺受制于西方企业，追赶世界先进技术水平，科技部、工信部出台了多项产业政策，积极扶持第二代半导体材料产业发展。半导体材料作为半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、电子器件等高科技产品生产制造中起到关键作用。

相较于常见的硅半导体，砷化镓半导体主要应用在主流的商用无线通信、光通信以及先进的国防、航空及卫星用途上，其中无线通信的普及更是催生砷化镓代工经营模式的重要推手。以手机与无线网络（Wi-Fi）为例，手机中的基带和射频模块是完成3/4/5G蜂窝通信功能的核心部件，射频模块一般由收发器和前端模组（PA、Switch、Filter）组成，其中砷化镓目前已经成为PA和Switch的主流材料。现在的无线射频模组必定含有的关键零组件包括：功率放大器（Power Amplifier）、射频开关器（RF Switch）及低杂讯放大器（Low Noise Amplifier）等。

事实上，想做砷化镓晶圆并不容易，中国台湾稳懋副董事长王郁琦曾表述：“砷化镓技术早年只掌握在军方手上，到了20 世纪末，才有少数大厂有能力生产。砷化镓的制程特性与控制流程较为特殊，若与硅晶圆相比，硅晶圆8英寸厂的技术进程，约等于砷化镓的4英寸厂;而砷化镓的6英寸厂，就等于硅晶圆的12英寸厂的先进制程技术程度。砷化镓晶圆在生产过程中非常容易破碎，更何况是做到6英寸的尺寸，愈大就愈容易碎。通常每100片就会有10到20片在过程中破损，破片率非常高。”

砷化镓晶圆生产破片率非常高

目前射频功率放大器极大部分是以砷化镓半导体制作，可谓手机不可或缺的材料

虽然不适合用于逻辑运算芯片，但由于化合物半导体材料的独特性，却在一些新兴的应用层面大放异彩，而且是硅半导体难以企及的高度。化合物半导体被认为极适合应用于 5G 及beyond 5G （甚至于 6G）的毫米波及太赫兹通信的高频功率放大器、电动车的功率转换及快速充电等高效率电力电子中。

不同于发展较成熟的砷化镓，新一代化合物半导体中的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）及磷化铟（InP）有极佳的潜能，市场的成长性也相当令人期待。碳化硅及氮化镓国际上常以“宽禁带（wide bandgap）半导体”称之，其禁带约为硅（Si）的三倍，也因此可以用于大功率操作，而不会造成电晶体损坏。

固体中电子的能量具有不连续的量值，电子都分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子（原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子）所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带或带隙。

目前碳化硅的电晶体主要应用于电动车的功率转换系统及充电桩等，这些需要较大功率的应用。而氮化镓则是用于相对较小的功率，例如手机及笔电快充系统。由于化合物半导体的高速的特性，这些系统可以操作在较高的切换速度，也因此可以提高功率密度，达到轻薄、短小的要求。

而另一方面，氮化镓与磷化铟由于其相对较高的电子饱和速度及电子迁移率，适合应用于下世代毫米波（millimeter wave）/太赫兹（terahertz）通信的射频前端功率放大电路应用。而由于材料本身特性的限制，硅电晶体在高操作频率上要达到大功率输出较为困难。因此，氮化镓与磷化铟在次世代射频前端的功率放大器及集成电路的应用上站稳了脚跟。

此外在元宇宙产业的驱动下，催化了以Mini/Micro LED为主的新型显示技术快速发展，这也让LED用半导体型砷化镓的市场需求得到进一步拓展。

新型LED显示屏幕所需的红黄光LED制作工艺复杂，难度高，然而砷化镓衬底在用来生产红黄光LED方面具有天然的产品优势。目前，砷化镓红黄光LED主要用于室内及室外显示屏、汽车刹车灯、家用电器等，是照明市场上的主要衬底材料。

得益于下游新兴市场的壮大，砷化镓的年需求量也逐渐增多，预计到2025年，全球砷化镓衬底市场销量（折合2英寸）将超过3500万片。届时全球砷化镓衬底市场规模将达到3.48亿美元，年复合增长率达9.67%。

在半导体界有个非常知名的定律叫作摩尔定律（Moore's law），主要是预测硅半导体的集成电路上可容纳之电晶体数目的进程。随着电晶体尺寸的微缩，大概每隔两年便会增加一倍。但目前由于物理上的限制，摩尔定律的延续已有变缓的趋势。

国际半导体技术蓝图（简称 ITRS ） 明确指出，未来半导体产业发展的三大挑战为：（1）摩尔定律的持续延伸（More Moore），探索电晶体最终微缩极限;（2）应用导向的超越摩尔定律（More than Moore）技术，提升芯片效能、功能性与价值;（3）后摩尔定律时代（Beyond CMOS），追寻能取代现行CMOS的次世代电子元件。

在这三大挑战中，化合物半导体在“More than Moore”这个项目中扮演关键性的角色。期望值是在同一个系统中，利用不同半导体来实现系统中不同的功能，达成整体效能的最佳化。当然在目前的应用中，硅基半导体绝对是一个不可或缺的角色，但化合物半导体的角色也会越来越重要。

而目前不论是氮化镓、碳化硅及磷化铟在整个制程的技术，材料及元件的可靠性都还有许多研发精进的空间。我国目前在硅半导体方面已经有了长足进步，而近年对于次世代化合物半导体的研发也有许多的投入。相信在不久的将来，新兴的次世代化合物半导体也会占有非常重要的地位。