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從手機到電動車都靠它!什麼是次世代化合物半導體?

111/06/29 瀏覽次數 2043
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圖一:化合物半導體具有獨特的材料特性,例如直接能隙、高崩潰電場及高電子遷移率,可實現光電、高速與大功率的元件及積體電路。(影像來源:Shutterstock)

化合物半導體由屬於元素週期表中兩個或多個不同族的化學元素組成,例如 III 族與 V 族半導體結合的砷化鎵(GaAs),這也是目前最具代表性且應用最廣的化合物半導體。與單一元素的矽半導體相比,化合物半導體具有獨特的材料特性,例如直接能隙(direct bandgap)、高崩潰電場(high break down voltage)及高電子遷移率(electron mobility),可實現光電、高速與大功率的元件及積體電路。


舉個簡單的例子,砷化鎵做成的電晶體,其中電子的移動的速度大約是一般矽電晶體的 6 到 8 倍,所以非常適合於高速電路的應用。大家可能很好奇,既然有這麼多好處,為什麼現在市面上主要還是以矽的半導體為主?


其中有一個主要的原因是化合物半導體製成的電晶體,由於材料的可靠度及散熱一般不如矽基元件,較不容易做到高密度的積體電路,因此不適合用於需要大量電晶體的邏輯運算晶片,例如電腦中的 CPU 及目前非常受矚目的 AI 運算 GPU。利用目前先進的矽半導體製程(如台積電的 5 奈米),單一晶片中的電晶體數目可輕易達到數十億甚至到數百億個的等級。

化合物半導體的殺手級應用

雖然不適合用於邏輯運算晶片,但由於化合物半導體材料的獨特性,非常適合用於目前一些新興的應用,而且是矽半導體難以達到的規格。化合物半導體被認為極適合應用於 5G 及beyond 5G (甚至於 6G)的毫米波及太赫茲通訊的高頻功率放大器、電動車的功率轉換及快速充電等高效率電力電子中。

而不同於發展較成熟的砷化鎵,新一代化合物半導體中的氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及磷化銦(InP)有極佳的潛能,可應用於上述的新興應用中,市場的成長性也相當令人期待。碳化矽及氮化鎵國際上常以「寬能隙(wide bandgap)半導體」稱之,其能隙約為矽(Si)的三倍,也因此可以用於大功率操作,而不會造成電晶體損壞。

目前碳化矽的電晶體主要應用於電動車的功率轉換系統及充電樁等,這些需要較大功率的應用。而氮化鎵則是用於相對較小的功率,例如目前非常受歡迎的手機及筆電快充系統。由於化合物半導體的高速的特性,這些系統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,氮化鎵與磷化銦由於其相對較高的電子飽和速度及電子遷移率,非常合適應用於下世代毫米波(millimeter wave)/太赫茲(terahertz)通訊的射頻前端功率放大電路應用。而由於材料本身特性的限制,矽電晶體在高操作頻率要達到大功率輸出非常困難。因此,氮化鎵與磷化銦在次世代射頻前端的功率放大器及積體電路的應用相當被看好。

超越摩爾定律 - More than Moore

在半導體界有個非常知名的定律叫做摩爾定律(Moore's law),主要是預測矽半導體的積體電路上可容納之電晶體數目的進程。隨著電晶體尺寸的微縮,大概每隔兩年便會增加一倍。但目前由於物理上的限制,莫爾定律的延續已有變緩的趨勢。


國際半導體技術藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors,簡稱 ITRS ) 明確指出,未來半導體產業發展的三大挑戰為(1)摩爾定律的持續延伸(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,提升晶片效能、功能性與價值;(3)後摩爾定律時代(Beyond CMOS),追尋能取代現行 CMOS 的下世代電子元件。


在這三大挑戰中,化合物半導體在「More than Moore」這個項目扮演關鍵性的角色。在一個系統中,利用不同半導體來實現系統中不同的功能,達成整體效能的最佳化。當然在目前的應用中,矽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吃重。


而目前不論是氮化鎵、碳化矽及磷化銦在整個製程的技術,材料及元件的可靠性都還有許多研發精進的空間。臺灣目前在矽半導體已經執世界牛耳,而近期對於次世代化合物半導體的研發也有許多的投入,基於我們多年在半導體相關產業鏈所打下的堅實基礎,相信在不久的將來,我們在新興的次世代化合物半導體也會佔有非常重要的地位。
 

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