次世代化合物半導(dǎo)體怎么就成了香餑餑？

李錚

說(shuō)起半導(dǎo)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(tái)積電。但很多人不知道，其實(shí)半導(dǎo)體還有非常多類型，其中砷化鎵（GaAs），因?yàn)槭侵圃旄吖β蔍C（集成電路）的原料，而成為近年來(lái)當(dāng)紅的化合物半導(dǎo)體，無(wú)論是人臉識(shí)別、無(wú)人車(chē)、5G基站等技術(shù)都需要它，可說(shuō)是下個(gè)世代智慧科技最關(guān)鍵的半導(dǎo)體晶圓。

化合物半導(dǎo)體屬于元素周期表中兩個(gè)或多個(gè)不同族的化學(xué)元素，砷化鎵屬于IIIA族和V族復(fù)合半導(dǎo)體材料（電子術(shù)語(yǔ)三五族）。與單一元素的硅半導(dǎo)體相比，化合物半導(dǎo)體具有獨(dú)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(gè)簡(jiǎn)單的例子，砷化鎵做成的電晶體，其中電子的移動(dòng)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(yīng)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(dǎo)體為主？

其中有一個(gè)主要的原因是化合物半導(dǎo)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(yùn)算芯片，例如電腦中的CPU及目前非常受矚目的AI運(yùn)算GPU。利用目前先進(jìn)的硅半導(dǎo)體制程（如臺(tái)積電的5納米），單一芯片中的電晶體數(shù)目可輕易達(dá)到數(shù)十億甚至到數(shù)百億個(gè)的等級(jí)。

目前，全球砷化鎵廠商主要有德國(guó)Freiberger、日本住友、中國(guó)先導(dǎo)集團(tuán)、美國(guó)AXT等，這四大廠商共占有大約79%的全球市場(chǎng)份額。我國(guó)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(jìn)技術(shù)水平，科技部、工信部出臺(tái)了多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策，積極扶持第二代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)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(jiàn)的硅半導(dǎo)體，砷化鎵半導(dǎo)體主要應(yīng)用在主流的商用無(wú)線通信、光通信以及先進(jìn)的國(guó)防、航空及衛(wèi)星用途上，其中無(wú)線通信的普及更是催生砷化鎵代工經(jīng)營(yíng)模式的重要推手。以手機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）為例，手機(jī)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(wú)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(kāi)關(guān)器（RF Switch）及低雜訊放大器（Low Noise Amplifier）等。

事實(shí)上，想做砷化鎵晶圓并不容易，中國(guó)臺(tái)灣穩(wěn)懋副董事長(zhǎng)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(jì)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(jìn)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(jìn)制程技術(shù)程度。砷化鎵晶圓在生產(chǎn)過(guò)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(huì)有10到20片在過(guò)程中破損，破片率非常高。”

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(dǎo)體制作，可謂手機(jī)不可或缺的材料

雖然不適合用于邏輯運(yùn)算芯片，但由于化合物半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性，卻在一些新興的應(yīng)用層面大放異彩，而且是硅半導(dǎo)體難以企及的高度。化合物半導(dǎo)體被認(rèn)為極適合應(yīng)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(dòng)車(chē)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(dǎo)體中的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）及磷化銦（InP）有極佳的潛能，市場(chǎng)的成長(zhǎng)性也相當(dāng)令人期待。碳化硅及氮化鎵國(guó)際上常以“寬禁帶（wide bandgap）半導(dǎo)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(huì)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(jià)電子（原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學(xué)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(yīng)用于電動(dòng)車(chē)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及充電樁等，這些需要較大功率的應(yīng)用。而氮化鎵則是用于相對(duì)較小的功率，例如手機(jī)及筆電快充系統(tǒng)。由于化合物半導(dǎo)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(dá)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(duì)較高的電子飽和速度及電子遷移率，適合應(yīng)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(yīng)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(dá)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(yīng)用上站穩(wěn)了腳跟。

此外在元宇宙產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體型砷化鎵的市場(chǎng)需求得到進(jìn)一步拓展。

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

得益于下游新興市場(chǎng)的壯大，砷化鎵的年需求量也逐漸增多，預(yù)計(jì)到2025年，全球砷化鎵襯底市場(chǎng)銷(xiāo)量（折合2英寸）將超過(guò)3500萬(wàn)片。屆時(shí)全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.48億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)9.67%。

在半導(dǎo)體界有個(gè)非常知名的定律叫作摩爾定律（Moore's law），主要是預(yù)測(cè)硅半導(dǎo)體的集成電路上可容納之電晶體數(shù)目的進(jìn)程。隨著電晶體尺寸的微縮，大概每隔兩年便會(huì)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(shì)。

國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（簡(jiǎn)稱 ITRS ） 明確指出，未來(lái)半導(dǎo)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(yīng)用導(dǎo)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(jià)值;（3）后摩爾定律時(shí)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(dǎo)體在“More than Moore”這個(gè)項(xiàng)目中扮演關(guān)鍵性的角色。期望值是在同一個(gè)系統(tǒng)中，利用不同半導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中不同的功能，達(dá)成整體效能的最佳化。當(dāng)然在目前的應(yīng)用中，硅基半導(dǎo)體絕對(duì)是一個(gè)不可或缺的角色，但化合物半導(dǎo)體的角色也會(huì)越來(lái)越重要。

而目前不論是氮化鎵、碳化硅及磷化銦在整個(gè)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(jìn)的空間。我國(guó)目前在硅半導(dǎo)體方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，而近年對(duì)于次世代化合物半導(dǎo)體的研發(fā)也有許多的投入。相信在不久的將來(lái)，新興的次世代化合物半導(dǎo)體也會(huì)占有非常重要的地位。