提示：点击上方"蓝色字"↑可快速关注我们
近年来，因摩尔定律的发展限制，使得传统硅基半导体的进步受到局限。但在 5G 通讯、车用电子与光通讯等方面的发展需求下，寻找新世代半导体的进展变得刻不容缓。而化合物半导体材料，因其高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合新世代半导体发展所需，化合物半导体的时代遂逐渐来临。
化合物半导体具个别特性，应用领域广泛取代硅基半导体
如 5G 基站的射频模块、光通信、手机的无线通信系统，以及 3D Sensing 的 VSECL 泛光源、自动驾驶的毫米波雷达等新应用场景的出现，都将是化合物半导体的应用发展重点和成长动能。
所谓的化合物半导体，就是由化合物所构成的半导体材料，通常由两种以上的元素构成。它的组合方式很多，带来更多的想象空间。依据不同的材料特性，能设计出耐高温、抗高电压、抗辐射与可发光等元件产品，之后再加以开发应用在各种特定领域中。
像是氮化镓（GaN），因其对电磁辐射的敏感性较低，使得氮化镓为基础所生产出的元件，在辐射环境中表现出很高的稳定性。这也使得氮化镓的晶体管可以在高温和高电压下环境下工作，是理想的微波频率功率放大元件。
至于在碳化硅（SiC）的材料方面，虽然与氮化镓一样同样具有低抗阻跟高频率，以及具有耐高温的特性。但相较于氮化镓，碳化硅具有更高效率，且在目前成本逐渐降低的情况下，市场上普遍运用于电源控制的方面，也成为另一主流发展方向。
另外，在目前大家所最为熟悉的化合物半导体砷化镓（GaAs）的部分，其所生产的微波元件主要有 3 种，包括 HBT（异质接面双极晶体管）、PHEMT（假晶高速电子移动晶体管）及 MESFET（金属半导体场效晶体管）。
由于，其具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度，使得砷化镓在当前 5G 通讯急速普及的阶段，包括行动通讯、无线区域网络（WLAN）及自动驾驶汽车的雷达系统上更是应用的关键零组件。而且，还将会是 6GHz 以下频段的主流技术。
3D Sensing 开启手机脸部辨识应用大门
3D Sensing 的部分，起源于 2017 年以垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称 VCSEL）为核心元器件的 3D Sensing 摄影镜头，使用在苹果 iPhone 的十周年机型上，进行使用者的人脸辨识（FACE ID） 功能，并进一步地掀起了全球智能型手机采用 3D Sensing 摄影镜头的风潮，其中在 3D Sensing 摄影镜头的元件当中，就有以化合物半导体砷化镓所制造的 VCSEL 芯片。
自驾车携手光达系统，提供安全自驾车基础
除了 3D Sensing 应用于车内脸部辨识与手势辨识中，化合物半导体的主要应用，便是在汽车先进驾驶辅助系统（ADAS）的光达与雷达设备上，以及在电动车的动力控制系统上。
其中，在光达部分，就是利用飞行时间（Time Of Flight，TOF）技术，由汽车发出很短脉冲（~10 ns，10-8 秒）的雷射去照射目标，同时也启动快速计时器进行时间量测。当光传感器接收到目标反射的回波讯号后，即停止快速计时器的计时，藉由期间光线的飞行时间来测量汽车与物体间的距离。原理与汽车雷达相类似，不同点在于光达能辨识物体，雷达却只能感应距离。
而在光达的应用中，以化合半导体中砷化镓的高功率和高线性特质来生产的 VCSEL 雷射元件，在其中就扮演了关键性的角色。因为藉由 VCSEL雷射元件所发射的雷射去照射目标，再透过接收器接收反射回来的激光束，达到测距的目的，使得光达系统能完整地发会功能与运作。
化合物半导体除了在自驾车领域的未来发展之外，事实上在当前的车用芯片部分，由于使用环境要求（需于高温、高频与高功率下操作），并配合汽车电路上的电感和电容等，使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大。
然而，透过化合物半导体中，包括应用氮化镓和碳化硅等特性，将有助实现缩小车用元件尺寸。因此，藉由氮化镓和碳化硅取代硅半导体，减少车用元件切换时的耗能已逐渐成为可能。
对此，在汽车先进驾驶科技上一直发展不遗余力的 BMW 指出，目前 BMW 的全新的车款，绝大部分都已经有标准配置了 Personal CoPilot 智慧驾驶辅助科技。
而这个运用了化合物半导体元件的智慧驾驶辅助科技，就是一整套给消费者完整的一个主动、被动的驾驶辅助系统，包含如自动跟车、车道偏离维持系统、盲点侦测系统、后方车流辅助系统、前方车流辅助系统，或者是十字路口的侦测功能，再搭配上自动停车辅助，以达到先进驾驶的功能。
而除了在驾驶系统采用化合物半导体元件之外，化合物半导体的科技进步、使得电池性能的提升，电池的密度将能增加，同样体积大小的电池容量可以提升，并带动整个电池成本的降低的情况下，将可带动整个电动车的车辆售价降低。所以，BMW 也认为，预计在接下来 10 年内，电动车市场将因此应该会有一个非常蓬勃的发展。
可以确定的是，自苹果 iPhone 所带动的 3D Sensing 技术受到重视，并加速非苹阵营导入 3D Sensing，促使 VCSEL 需求增温，使得化合物半导体的发展受到重视，加上电动车市场未来将持续小幅成长，带动车用功率半导体元件需求，进而推升化合物半导体营收成长。
此外，先进驾驶辅助系统的光达元件需求逐年提升，促使化合物半导体所生羼的元件需求增温。整体而言，这一系列市场的应用普及，预计都将成为化合物半导体市场持续成长的主要动能。
Source：科技新报
PS：集邦咨询2020存储产业趋势峰会已圆满落幕，欢迎识别下方二维码或在全球半导体微信公众号回复"峰会”观看峰会完整视频回放。
