- 回首頁
- 機械工業雜誌
- 當期雜誌
當期雜誌
購物提醒：當您要離開或跳轉頁面時，請先將您想要購買的文章加入購物車，以便快速紀錄完成購買流程!
摘要
在高階應用領域，產業正從傳統矽基材料主導的局面加速邁向以化合物半導體為高效能核心的新局。本文梳理代表性材料的物理特性與擅長應用，並著重碳化矽（SiC）的應用擴張側寫，AI 世代的先進封裝對大面積、低翹曲與高散熱的需求，開啟 SiC 導入散熱基板/ 中介層應用的新契機；為降低切割損失與提升良率，低損耗的雷射改質分片製程技術成為受關注的重要選項。本文最後將歸納化合物半導體產業面臨的三項關鍵挑戰：成本結構、可靠度與供應鏈韌性議題，並展望在AI 與綠能趨勢下的應用成長與產業布局機會。
Abstract
In high-end applications, the industry is shifting from silicon-based dominance to compound-semiconductor materials. This article reviews the physical properties and key applications of representative compound semiconductors, with a focus on the expanding role of silicon carbide (SiC). The AI era’s advanced packaging demands large-area, low-warpage, and high-thermal-dissipation substrates, creating new opportunities for SiC in thermal substrates and interposers. To reduce cutting losses and improve yield, low-loss laser-modified dicing processes are becoming critical for scaling production. The conclusion discusses three major future challenges for the compound semiconductor industry: cost structure, long-term reliability, and supply chain resilience, while highlighting application growth and strategic opportunities driven by AI and green energy.
前言
化合物半導體產業正處於關鍵轉捩點，隨著傳統矽基材料在功率與射頻領域逼近物理極限，產業正加速導入化合物半導體材料，以滿足高階應用對效能的嚴苛需求。根據 Yole Group 2025 年的分析，2024 年全球化合物半導體市場規模已達 120 億美元，預計到 2030 年將成長至 250 億美元，年複合成長率高達 13％［1］。面對電動車（EV）、第五代行動通訊（5G）以及人工智慧（AI）等新興領域的挑戰，矽材料的物理極限已逐漸顯露。化合物半導體，如碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP），憑藉其寬能隙特性、優異的熱穩定性與高電子遷移率，正逐步取代矽基方案，成為功率轉換、射頻（RF）模組與光電元件的首選。
這種轉型並非一夜之間的躍進，而是長期技術累積與市場壓力的結果。以功率應用如 EV 的逆變器或 5G 基地台的功率放大器為例，SiC 與 GaN 的寬能隙器件不僅能降低能量損耗、提升系統效率，還能縮小體積與散熱需求。另一方面，在 RF 與光電領域，GaAs 的電子遷移率高達矽的六倍，廣泛用於衛星通訊與雷達系統；InP 則因其直接能隙特性，成為光纖通訊中高速雷射二極體的核心材料。這些材料的興起，不僅擴大了化合物半導體的應用邊界，也促使產業鏈從上游晶圓生產到下游模組整合的全方位升級。
本文將依循脈絡探討化合物半導體的產業應用趨勢。首先，從材料分類入手，剖析 SiC、GaN、GaAs 與 InP 等主要化合物的物理屬性與製程差異，釐清定位、聚焦應用專長。接著，深入 SiC 的應用發展，討論其在裝置面走向模組的趨勢、與應用至先進封裝的發展，簡介 SiC 基板的主流晶錠分片製造技術與發展趨勢，最後展望整體產業的未來挑戰與發展機會。
化合物半導體材料應用
化合物半導體憑藉其在高頻、高壓與高溫環境中的獨特優勢，正快速推動電動車、通訊與光電領域的技術轉型。本節將聚焦碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP）等主流材料，從其物理特性切入，探討其在功率電子、射頻與光通訊等應用場景中的定位與互補性。
1. 碳化矽（SiC）：功率電子領域的耐壓支柱
SiC 以其寬能隙特性（~3.26 eV）在功率電子應用中脫穎而出，相較傳統矽材料，其崩潰電壓可達數千伏特，同時導通損耗降低至三分之一以下。這使得 SiC 成為高壓環境下的首選，例如在 EV 逆變器中，SiC MOSFET 能有效縮減熱損失，提升能量轉換效率至 98％ 以上。根據市場預測，預計 2025 年 SiC 在 EV 逆變器的滲透率可達 20-30％［2］，主要得益於 800V 以上高壓平台的普及，這不僅延長電池續航力，還能減輕車重與冷卻需求。
在太陽能與工業控制領域，SiC 同樣展現強大潛力。太陽能逆變器採用 SiC 後，可將切換頻率提升，進而縮小變壓器體積並降低系統成本。工業控制如電機驅動與焊接設備，也因 SiC 的耐高溫能力而受益，避免了矽基元件在嚴苛環境下的失效風險。全球 SiC 市場規模預計 2025 年將超過 56 億美元，年複合成長率逾 30％［3］。臺灣廠商的投入，如環球晶圓積極垂直整合布局 SiC 基板與磊晶技術，而漢磊則致力於建立 SiC 晶圓代工產能，正共同推動臺灣化合物半導體供應鏈的成形。
2. 氮化鎵（GaN）：高頻轉換的效率半導體
GaN 結合高電子遷移率（>2000 cm²/V·s）與寬能隙（3.4 eV），在高頻、高效能功率轉換應用中表現亮眼。其電場強度為矽的 10 倍，可支援數百 kHz 的高速切換，降低開關損耗與變壓器體積，適合用於 5G 基站與快充應用。
在 5G 通訊方面，GaN 功率放大器（Power amplifier, PA）因具備優越的效率與線性度，已取代 GaAs 成為基站與毫米波應用的主流。市場預估 GaN RF 的年複合成長率達 20.2％，2030 年規模將成長至 46 億美元［4］。此外，具備低閘極電荷特性的 GaN 亦適合並聯操作，正逐步擴展至伺服器電源與資料中心等高階應用。然而，面對高壓操作環境，GaN 的可靠度仍需透過優化的閘極驅動電路設計來克服，以避免熱點累積與元件性能退化。
3. 砷化鎵（GaAs）：射頻與光電的高速材料
GaAs 以高電子遷移率（~8500 cm²/V·s）著稱，適合高速 RF 與光電轉換應用。其能隙（1.42 eV）對應紅外波段、且具備高崩潰電壓，使其成為 5G 手機、LTE 模組中低雜訊放大器（Low noise amplifier, LNA）與 PA 的首選。
5G 部署推升 GaAs 晶圓市場年增率至 11％［5］，預估其在 Sub-6 GHz 頻段的應用將持續顯著增長，成為 5G 射頻前端元件的關鍵材料。此外，GaAs 多接面太陽能電池在實驗室條件下轉換效率可超過 40％［6］，因其高效率、輕量化和抗輻射特性而廣泛應用於太空探測器和高濃度光伏（HCPV）系統。雖成本偏高，但因具輕量與高能特性而受青睞。
臺灣供應鏈方面，穩懋與宏捷科持續精進 GaAs HBT 製程，以鞏固在手機功率放大器（PA）與 Wi-Fi 7 應用的全球領先地位。另在光電偵測方面，GaAs 可應用於光纖感測器、TOF 雷達等，具備亞奈秒等級的響應速度。雖然材料毒性與成本高仍為挑戰，但透過回收與製程規模化，有機會進一步降低使用門檻。
DOI:10.30256/JIM.202602_(515).0006
更完整的內容歡迎訂購
2026年02月號
(單篇費用：參考材化所定價)