產業趨勢報告｜影響科技產業之未來 化合物半導體扮演不可或缺的角色
化合物半導體是由兩種以上元素原子構成的半導體材料，成分主要是週期表的III-V族、II-VI族、IV-IV族元素，常見的二元化合物半導體包括:III-V族的砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）與氮化鎵（GaN），II-VI族的硒化鎘（CdSe）、碲化鎘（CdTe）和硒化鋅（ZnSe），IV-IV族的碳化矽（SiC）與矽鍺（SiGe），其他屬於三元化合物半導體則有砷化鋁鎵（AlGaAs）、砷化鋁銦（AlInAs）、氮化鋁鎵（AlGaN）、磷化鋁鎵（AlGaP）、氮化銦鎵（InGaN）、碲化鎘鋅（CdZnTe）和碲化汞鎘（HgCdTe）。一般將砷化鎵與磷化銦歸類為第二代半導體，第三代半導體則是氮化鎵與碳化矽，各類半導體材料比較如表一所列，本報告著重分析市場關注度高且成長性最佳的第三代半導體。
表一、各世代半導體材料比較表
資料來源：PIDA；智璞產業研究院整理，2022/07
晶圓/磊晶市場成長迅速
化合物半導體的商業活動主要是晶圓/磊晶與元件等兩大市場。根據市調機構的報告指出，2020年全球化合物半導體晶圓/磊晶市場規模為10.02億美元，預估至2025年將成長至20.46億美元，年複合成長率達15%，其中氮化鎵與碳化矽的年複合成長率各為23.9%、13.9%。在晶圓/磊晶部分，氮化鎵單晶生長難度很高，於是元件製作係採用異質磊晶片，除了LED是使用藍寶石為基板的磊晶片外，射頻元件主要採用導熱性、絕緣性與晶格匹配佳的GaN on SiC磊晶片，功率元件因為尺寸較大且需與矽元件爭奪市場，所以採用價格較低的GaN on Si磊晶片，各優缺點如表二所列；由於對成膜品質控制較容易，碳化矽元件製作則通常使用碳化矽晶圓為基板的磊晶片。
表二、GaN on SiC與GaN on Si的優缺點比較表
資料來源：智璞產業研究院整理，2022/08
碳化矽與氮化鎵的元件市場成長驚人
目前化合物半導體主要製作光電、功率與射頻等元件，應用於電源控制、無線通訊、光感測、太陽能、光通訊等多種領域。碳化矽元件可耐600伏以上電壓，是功率元件理想材料，廣泛應用於車用電子、電力設備等領域，根據市場研究機構Yole Développement的報告指出2021年全球碳化矽功率元件市場規模為11億美元，預估2027年成長至63億美元，年複合成長率34%，占比最大是車用市場，如圖一所示。
圖一、2021~2027年全球碳化矽功率元件市場規模預估
資料來源：Yole Développement
氮化鎵元件主要有光電、功率與射頻等元件應用，光電元件主要有發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)、光偵檢器(PD)，現今最重要應用是採用VCSEL的光達(LIDAR)，可透過光來測量距離以提供外界環境訊息，是自駕車必備的感測模組，另外還可用於智慧型手機中的臉部識系統，目前是由砷化鎵製作；功率元件以使用GaN on Si磊晶片為主，能顯著降低充電器尺寸與功耗，目前正迅速滲透快速充電市場，根據市場研究機構Yole Développement的報告指出，2020年全球氮化鎵功率元件市場規模為0.46億美元，預估2026年成長至11億美元，年複合成長率70%，占比最大是消費用快充頭市場，如圖二所示。
圖二、2020~2026年全球氮化鎵功率元件市場規模預估
資料來源：Yole Développement
在射頻元件可由氮化鎵、矽鍺、砷化鎵、磷化銦製作，目前絕大部分2.5GHz 以上5G高頻元件採用氮化鎵，它也用於低頻但需要高輸出的4G射頻元件。市場研究機構Yole Développement指出，2020年全球氮化鎵射頻元件市場規模為8.9億美元，預估2026年將達24億美元，年複合成長率18%，如圖三所示。該市場是由國防和通訊應用主導，2026年市場比重各為49%和41%，其中95%的通訊應用銷售額來自於基地台。
圖三、2020~2026年全球氮化鎵射頻元件市場規模預估
資料來源：Yole Développement
因為在高功率密度和導熱性方面仍是首選，故絕大部分氮化鎵射頻元件是以GaN on SiC磊晶片製造，除了於軍用雷達具有高滲透率外，也被華為、Nokia、Samsung等電信設備商大量用於5G MIMO基地台，預估該市場將從2020年的3.4億美元增長到2026年的22.2億美元。雖然目前氮化鎵射頻元件甚少採用GaN on Si磊晶片，但其具備較大頻寬和小尺寸正吸引廠商投入，如2019年MACOM和STMicroelectronics合作建置6吋晶圓生產線，2021年Global Foundries和Raytheon建立合作夥伴關係，該機構預估該市場將從2020年低於500萬美元成長到2026年的1.73億美元，年複合成長率高達86%。
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