如果要票選2021年台灣半導體產業內的熱門關鍵字，除了5G、人工智慧(AI)之外，化合物半導體肯定也會進入榜單。
化合物半導體種類繁多，也已經有數十年發展歷史，應用範疇遍及光電、射頻等領域。但由於矽基氮化鎵(GaN on Silicon)、碳化矽(SiC)的技術在最近幾年取得重要進展，讓化合物半導體得以切入影響範圍更大的功率應用領域，使得化合物半導體成為近兩三年來最常被提起的科技名詞之一。
5G需使用大量小型基地台組網的先天特性，以及電動車對功率輸入/輸出能力的無盡追求，讓化合物半導體的話題熱度更上一層樓。與傳統基於矽的功率元件相比，不管是使用氮化鎵或碳化矽材料的功率元件，都可以讓電源系統的尺寸大幅縮小，這不僅有助於讓終端設備的外觀小型化，也讓應用產品能在維持相同外觀尺寸的條件下，輸入/輸出更大的功率。
對於電源相關應用而言，這是所有設計人員夢寐以求的目標。因此，在氮化鎵跨過可靠度的信心障礙，以及碳化矽元件價格開始下滑，逐漸貼近商業應用的成本要求後，基於這兩種化合物材料的功率半導體元件，在短短兩三年內，就在各種應用中遍地開花。
大廠的投入與國家政策支持，則為化合物半導體的熱度火上加油。如積極發展電動車事業的鴻海集團，以及中國的十四五政策規畫，都將化合物半導體列為未來的發展跟培植重點。
電動車業務志在必得 鴻海大力布局碳化矽
鴻海集團董事長暨鴻海研究院院長劉揚偉(圖1)指出，從國家產業發展的高度，台灣過去憑藉著矽半導體支撐整個ICT產業鏈，在全球科技產業扮演著關鍵角色，如果在寬能隙半導體領域上，我們能夠逐步發展成矽半導體的高度，不僅延續台灣在半導體產業的優勢，也將為全球科技產業與經濟發展持續做出貢獻。
從鴻海集團自身的業務發展需求出發，投入化合物半導體發展，也是必然要走的一條路。鴻海將電動車視為集團業務的下一個發展重點，而功率元件正是電動車的動力總成(Powertrain)中，最為關鍵的零組件。若能掌握相關元件的開發跟製造能力，對集團的電動車布局會有莫大幫助。
劉揚偉估算，如果以碳化矽元件為例，一台電動車大概會用到60顆碳化矽功率元件，但一片六吋晶圓能產出的元件數量，還不到500顆。換言之，電動車對碳化矽元件的需求，遠遠超過當前半導體產業的供應能力。如果我們能把矽晶片的供應鏈成功複製到碳化矽上，化合物半導體不僅能成為台灣的另一個護國神山，台灣公司在電動車產業鏈的地位，也會變得非常穩固。因此，鴻海已經在日前買下旺宏的六吋晶圓廠，並計劃將其轉換成碳化矽元件的生產線。
直接負責鴻海電動車事業發展的鴻海S事業群總經理陳偉銘，則在該公司與國際半導體產業協會(SEMI)合辦的Next Forum中，解釋了鴻海推動電動車平台的規畫，以及布局化合物半導體的原因。
陳偉銘指出，半導體占一輛汽車的成本比重愈來愈高，已經是不可逆的趨勢。特別是在電氣化與智慧化的浪潮加持下，目前半導體占整車的成本已高達35%，而功率元件的成本，又占了整個半導體成本的一半。
如果功率元件改用單價更高的化合物半導體材料，功率元件的成本占比只會更上一層樓，甚至有可能會超越電池，成為整輛車中，成本最昂貴的零組件。
因此，有意發展電動車業務的鴻海，必須在這方面有所布局的必要性，是顯而易見的。
但劉揚偉也指出，人才是台灣半導體產業發展的關鍵，對化合物半導體而言當然也不例外。全球皆已將化合物半導體列為國家重點發展項目，而台灣的利基優勢除了包括政府積極展開的「化合物半導體計畫」，也應整合產、官、學各界資源，推動人才培育規劃。如鼓勵大學院校增加化合物半導體獎學金廣納全球優秀人才、建立就業為導向的技職體系與培養基層技術人力等，以穩固台灣在化合物半導體全球產業鏈的領先與關鍵地位。
劍指電動車 氮化鎵陣營不會缺席
至於矽基氮化鎵元件，由於其具備可以與矽製程銜接的特性，擁有優異的可量產性，故已經在消費性電子領域大放異彩。許多支援USB Type-C介面的新一代快速充電器，都已經改用矽基氮化鎵功率元件；基於矽基氮化鎵的馬達驅動器、伺服器電源供應器，也已經進入量產階段。因此，對氮化鎵陣營而言，向上挑戰功率更大、市場規模亦十分可觀的電動車應用，是很自然的下一步。
納微(Navitas)共同創辦人暨技術長Dan Kinzer就表示，該公司在消費性電源與工業電源領域，已經有許多應用實績，在搭配太陽能發電板使用的微型逆變器(Micro Invertor)上，亦有許多成果。
在這些基礎上，納微相信，矽基氮化鎵也能很快地普遍應用在電動車上，諸如車載充電器(OBC)、馬達驅動器與眾多DC-DC轉換器，都是氮化鎵功率元件可以切入的市場。事實上，目前納微已經與某家領先的電動車製造商合作，共同開發使用氮化鎵元件的電動車。若與這家客戶的合作能順利開花結果，在2025~2030年間，就可望為納微帶來超過4億美元的營收機會。
解決缺陷密度問題 GaN on GaN潛力十足
雖然矽基氮化鎵的可靠度問題已大致獲得解決，並且開始應用在對可靠度有極嚴格要求的工業與汽車應用，但由於矽跟氮化鎵兩種材料的晶格常數先天就不匹配，因此在矽基板上進行氮化鎵材料生長時，缺陷密度是一個相當嚴重的問題。過高的缺陷密度，使得矽基氮化鎵材料無法承受大電流，進而讓矽基氮化鎵在電動車以上的高功率應用市場上，受到相當多限制。
與藍光LED之父中村修二共同獲得2014年諾貝爾物理學獎的名古屋大學特別教授天野浩就指出，氮化鎵材料最早商品化的應用之一，就是在藍寶石基板上結合氮化鎵材料，製作而成的藍光LED。目前他在名古屋大學仍在持續研究的重點項目之一，就是如何製作出輸出功率更高、壽命更耐久的UV LED。若相關研究能持續取得進展，將可讓人類獲得更多對抗COVID-19等傳染病的強力武器。
但如果撇開光電應用不談，將焦點轉向功率應用，當前的矽基氮化鎵其實有很大的先天限制，沒有發揮氮化鎵材料的全部潛力。因為氮化鎵跟很多常見的半導體材料都有晶格常數不匹配的問題，要如何在其他不同材料的基板上長出低缺陷的氮化鎵層，不管在理論或工程上，都是十分巨大的挑戰。
缺陷密度跟元件能承受的電流成反比，缺陷密度越高，元件能承受的電流就越小。氮化鎵之所以能率先在光電領域開花結果，主要原因之一就是光電應用的電流量多半很小，即便材料的缺陷密度較高，對元件的正常運作也不至於產生太大影響，但隨著氮化鎵開始應用在功率領域，缺陷密度將成為一個無法迴避的問題(圖2)。
目前已經商品化的矽基氮化鎵，缺陷密度通常是每平方公分108以上。因此，如果要把矽基氮化鎵允用在電動車這類需要承受高電流的高功率應用上，元件本身的尺寸必須跟著放大，導致成本增加、系統的小型化能力也會面臨天花板。
因此，目前學界有個共識，矽基氮化鎵只是氮化鎵在功率應用的第一個階段。在氮化鎵基板上生長氮化鎵材料的GaN on GaN，將會是氮化鎵能否順利切入高功率應用的關鍵。相較於矽基氮化鎵，GaN on GaN的缺陷密度是每平方公分104以下，差距可達萬倍以上。因此，使用GaN on GaN材料製作而成的功率元件，其單位面積可承受的電流量，將遠遠超過採用矽基氮化鎵的同類型產品。
不過，GaN on GaN本身也不是完美的材料。一來GaN是相對昂貴的材料，二來GaN的機械強度很差，稍微受到一點外力就會破碎，為了彌補這個缺點，GaN基板必須有一定厚度。但對於元件製造來說，太厚的基板只是浪費材料，加上相對昂貴的材料成本，浪費的問題會變得更嚴重。因此，若能在兼顧強度的情況下，把基板厚度合理地薄化，將可產生巨大的成本樽節效益(圖3)。
其次，材料的沉積工法也會對材料的製作成本帶來巨大影響。目前業界通常使用MOVPE製程(台灣業界通常以MOCVD稱之)來生長GaN材料，但這種製程相對複雜，設備成本也高，若要大量生產，廠商的前期資本投入是很高的，在一定程度上形成產業的進入障礙。因此，天野浩所帶領的研究團隊，將探索方向放在氫化物氣相外延(HVPE)製程上，並已經獲得一定的成果。根據研究團隊所做的成本試算，在同等產能的條件下，HVPE的設備投資規模，大概只要MOVPE的15%不到。
身處電氣化大潮浪尖 化合物半導體後勢可期
電氣化是未來人類科技文明發展的方向，越來越多以前不靠電力驅動的設備，未來都將改用電力驅動。在這個情況下，成功打入功率應用的化合物半導體，無疑將成為帶動次世代科技應用發展的引擎，也讓化合物半導體成為各國與產業內各大公司必須爭奪的戰略高地。
但是在功率領域，目前的化合物半導體技術還有很多進步空間，不管是降低元件成本、擴大產能投資、簡化應用開發的困難度，乃至材料特性的持續改良，產業界跟學術界的待辦事項清單，都還有長長一大串。換個角度來看，也因為如此，已經有數十年發展歷史的化合物半導體產業，還有更多值得期待的精彩未來。
