李錚

說起半導體晶片，多數(shù)人的第一聯(lián)想就是硅晶圓，比如全球最大的硅晶圓代工廠就是臺積電。但很多人不知道，其實半導體還有非常多類型，其中砷化鎵（GaAs），因為是制造高功率IC（集成電路）的原料，而成為近年來當紅的化合物半導體，無論是人臉識別、無人車、5G基站等技術(shù)都需要它，可說是下個世代智慧科技最關(guān)鍵的半導體晶圓。

化合物半導體屬于元素周期表中兩個或多個不同族的化學元素，砷化鎵屬于IIIA族和V族復合半導體材料（電子術(shù)語三五族）。與單一元素的硅半導體相比，化合物半導體具有獨特的材料特性，例如直接帶隙（direct bandgap）、高擊穿電壓（high break down voltage）及高電子遷移率（electron mobility），可用于制造高頻、高速、大功率、低噪聲、耐高溫、抗輻照的集成電路。

舉個簡單的例子，砷化鎵做成的電晶體，其中電子的移動速度大約是一般硅電晶體的6到8倍，所以非常適合于高速電路的應用。大家可能很好奇，既然有這么多好處，為什么現(xiàn)在市面上主要還是以硅的半導體為主？

其中有一個主要的原因是化合物半導體制成的電晶體，由于材料的可靠度及散熱一般不如硅基元件，不容易做成高密度的集成電路，因此不適合用于需要大量電晶體的邏輯運算芯片，例如電腦中的CPU及目前非常受矚目的AI運算GPU。利用目前先進的硅半導體制程（如臺積電的5納米），單一芯片中的電晶體數(shù)目可輕易達到數(shù)十億甚至到數(shù)百億個的等級。

目前，全球砷化鎵廠商主要有德國Freiberger、日本住友、中國先導集團、美國AXT等，這四大廠商共占有大約79%的全球市場份額。我國為加快擺脫大尺寸砷化鎵生產(chǎn)工藝受制于西方企業(yè)，追趕世界先進技術(shù)水平，科技部、工信部出臺了多項產(chǎn)業(yè)政策，積極扶持第二代半導體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。半導體材料作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈上游中的重要組成部分，在集成電路、電子器件等高科技產(chǎn)品生產(chǎn)制造中起到關(guān)鍵作用。

相較于常見的硅半導體，砷化鎵半導體主要應用在主流的商用無線通信、光通信以及先進的國防、航空及衛(wèi)星用途上，其中無線通信的普及更是催生砷化鎵代工經(jīng)營模式的重要推手。以手機與無線網(wǎng)絡（Wi-Fi）為例，手機中的基帶和射頻模塊是完成3/4/5G蜂窩通信功能的核心部件，射頻模塊一般由收發(fā)器和前端模組（PA、Switch、Filter）組成，其中砷化鎵目前已經(jīng)成為PA和Switch的主流材料。現(xiàn)在的無線射頻模組必定含有的關(guān)鍵零組件包括：功率放大器（Power Amplifier）、射頻開關(guān)器（RF Switch）及低雜訊放大器（Low Noise Amplifier）等。

事實上，想做砷化鎵晶圓并不容易，中國臺灣穩(wěn)懋副董事長王郁琦曾表述：“砷化鎵技術(shù)早年只掌握在軍方手上，到了20 世紀末，才有少數(shù)大廠有能力生產(chǎn)。砷化鎵的制程特性與控制流程較為特殊，若與硅晶圓相比，硅晶圓8英寸廠的技術(shù)進程，約等于砷化鎵的4英寸廠;而砷化鎵的6英寸廠，就等于硅晶圓的12英寸廠的先進制程技術(shù)程度。砷化鎵晶圓在生產(chǎn)過程中非常容易破碎，更何況是做到6英寸的尺寸，愈大就愈容易碎。通常每100片就會有10到20片在過程中破損，破片率非常高?！?/p>

砷化鎵晶圓生產(chǎn)破片率非常高

目前射頻功率放大器極大部分是以砷化鎵半導體制作，可謂手機不可或缺的材料

雖然不適合用于邏輯運算芯片，但由于化合物半導體材料的獨特性，卻在一些新興的應用層面大放異彩，而且是硅半導體難以企及的高度?；衔锇雽w被認為極適合應用于 5G 及beyond 5G （甚至于 6G）的毫米波及太赫茲通信的高頻功率放大器、電動車的功率轉(zhuǎn)換及快速充電等高效率電力電子中。

不同于發(fā)展較成熟的砷化鎵，新一代化合物半導體中的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）及磷化銦（InP）有極佳的潛能，市場的成長性也相當令人期待。碳化硅及氮化鎵國際上常以“寬禁帶（wide bandgap）半導體”稱之，其禁帶約為硅（Si）的三倍，也因此可以用于大功率操作，而不會造成電晶體損壞。

固體中電子的能量具有不連續(xù)的量值，電子都分布在一些相互之間不連續(xù)的能帶上。價電子（原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學鍵的電子）所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙稱為禁帶或帶隙。

目前碳化硅的電晶體主要應用于電動車的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及充電樁等，這些需要較大功率的應用。而氮化鎵則是用于相對較小的功率，例如手機及筆電快充系統(tǒng)。由于化合物半導體的高速的特性，這些系統(tǒng)可以操作在較高的切換速度，也因此可以提高功率密度，達到輕薄、短小的要求。

而另一方面，氮化鎵與磷化銦由于其相對較高的電子飽和速度及電子遷移率，適合應用于下世代毫米波（millimeter wave）/太赫茲（terahertz）通信的射頻前端功率放大電路應用。而由于材料本身特性的限制，硅電晶體在高操作頻率上要達到大功率輸出較為困難。因此，氮化鎵與磷化銦在次世代射頻前端的功率放大器及集成電路的應用上站穩(wěn)了腳跟。

此外在元宇宙產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動下，催化了以Mini/Micro LED為主的新型顯示技術(shù)快速發(fā)展，這也讓LED用半導體型砷化鎵的市場需求得到進一步拓展。

新型LED顯示屏幕所需的紅黃光LED制作工藝復雜，難度高，然而砷化鎵襯底在用來生產(chǎn)紅黃光LED方面具有天然的產(chǎn)品優(yōu)勢。目前，砷化鎵紅黃光LED主要用于室內(nèi)及室外顯示屏、汽車剎車燈、家用電器等，是照明市場上的主要襯底材料。

得益于下游新興市場的壯大，砷化鎵的年需求量也逐漸增多，預計到2025年，全球砷化鎵襯底市場銷量（折合2英寸）將超過3500萬片。屆時全球砷化鎵襯底市場規(guī)模將達到3.48億美元，年復合增長率達9.67%。

在半導體界有個非常知名的定律叫作摩爾定律（Moore's law），主要是預測硅半導體的集成電路上可容納之電晶體數(shù)目的進程。隨著電晶體尺寸的微縮，大概每隔兩年便會增加一倍。但目前由于物理上的限制，摩爾定律的延續(xù)已有變緩的趨勢。

國際半導體技術(shù)藍圖（簡稱 ITRS ） 明確指出，未來半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大挑戰(zhàn)為：（1）摩爾定律的持續(xù)延伸（More Moore），探索電晶體最終微縮極限;（2）應用導向的超越摩爾定律（More than Moore）技術(shù)，提升芯片效能、功能性與價值;（3）后摩爾定律時代（Beyond CMOS），追尋能取代現(xiàn)行CMOS的次世代電子元件。

在這三大挑戰(zhàn)中，化合物半導體在“More than Moore”這個項目中扮演關(guān)鍵性的角色。期望值是在同一個系統(tǒng)中，利用不同半導體來實現(xiàn)系統(tǒng)中不同的功能，達成整體效能的最佳化。當然在目前的應用中，硅基半導體絕對是一個不可或缺的角色，但化合物半導體的角色也會越來越重要。

而目前不論是氮化鎵、碳化硅及磷化銦在整個制程的技術(shù)，材料及元件的可靠性都還有許多研發(fā)精進的空間。我國目前在硅半導體方面已經(jīng)有了長足進步，而近年對于次世代化合物半導體的研發(fā)也有許多的投入。相信在不久的將來，新興的次世代化合物半導體也會占有非常重要的地位。