磷化铟：化合物半导体的下一张拼图

政府日前宣布了「南方雨林」计划，预计在台南沙仑建置首座化合物半导体产业专区，发展以应用于车用动力系统为主的半导体元件。化合物半导体由第二代的砷化镓(GaAs)，到第三代的碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)，甚至到所谓第四代的氧化镓(Ga2O3)，台湾的产业确有相当的条件，在全球的舞台上扮演重要的角色，甚至成为未来的护国群山之一。

台湾的砷化镓化合物半导体产业肇始于20多年前，一群由美国归国的学人所建立，历经了10余年的惨澹经营，终于在无线移动通讯的功率放大器找到了充裕的出海口而发光发热。第三代半导体碳化矽及氮化镓，台湾产业是在10年前开始投入，也是历经了10年，于最近因为电动车电控及充电系统之需，开始受到普遍的关注。若我们期望化合物半导体能成为我们的护国群山之一，不禁得扪心自问：下一张拼图在那里？

磷化铟化合物半导体是我个人在80年代末期，于美国留学期间所从事论文的研究题目，在当时是一个热门的题目。以磷化铟为基版所衍生的高速电子元件，其速度表现是目前人类所能制作出元件的极致，主要应用场域在次毫米波(sub-mm wave；30~300 GHz)的频段。但是长久以来一直是个小众的市场，如国防、太空以及无线电天文台的接收器。目前5G的移动通讯以及低轨道卫星(LEO)通讯，已经进入了毫米波的纪元，未来在带宽持续的需求下，载波的操作频率势必会往更高频的方向走，磷化铟的重要性就不可言喻了。

磷化铟的异质结构双极性晶体管(InP HBT)，是我个人认为最梦幻的超高速电子元件，因为InP/InGaAs的异质结构是在HBT元件里的最佳选择，它的优越性超越了砷化镓GaAs HBT以及相关的HEMT。5G毫米波(mmWave)的手机目前仅能在有限的时间，需要大量的数据传输中使用，主要原因在于毫米波的功率放大器的效率不佳，一般都在50%以下，使得手机的电池不足以维持长时间的使用。而磷化铟HBT是有机会突破此一瓶颈，让毫米波移动通讯能更为普遍。

磷化铟除了在高速元件有资格大放异彩外，在光通讯所需的半导体雷射也扮演举足轻重的角色。波长在1.55微米的雷射是在光纤内传输能量损耗最低的，而也只有以磷化铟为基板的半导体雷射可达到此长波长。过去一直以来相关的应用都局限在长距离的光纤通讯，如海底光缆及都会区的主干光纤网络，属于利基型的市场。但随着云端数据中心的快速成长，相对的需求也逐步水涨船高，同时半导体雷射所需乘载的数据也高达每秒100 Gbit，这一切都需要磷化铟化合物半导体。

磷化铟由于长久以来，其应用的领域大都在小众的利基市场，也因此产业规模相对狭隘，导致一般的刻板印像是价格昂贵，甚至由有些产品还在使用2寸的晶圆。但随着应用的出海口逐步打开，磷化铟相关的技术在20多年前就已开发的相当完备，若此时能超前部署，就会是台湾的机会。

台湾在以矽半导体为主体的产业链，已经建立了坚实的基础，有了这充沛的资源足以支持化合物半导体的发展，不论就人才、技术以及产业架构，都可以收到事半功倍之效。因此之故，国内几家半导体晶圆大厂，也相继地投入化合物半导体的领域。但是我们也需要谨慎以对，毕竟在化合物半导体的产业链，不能像矽半导体一样做太细的产业分工，需要有适当的整合。比如说碳化矽在电动车的应用，就需要晶圆厂与封装厂密切的合作。而磷化铟的各类元件在磊晶上是相对的复杂，就需要磊晶厂与晶圆厂密切的配合。

我们期望磷化铟在台湾，能继砷化镓、碳化矽及氮化镓，成为化合物半导体产业的下一张拼图。但如果同时我们又期待化合物半导体能成为我们的护国群山之一，那就需要将产业链做适当的整并，唯有足够规模且整合的公司，才有可能承担护国群山的重责大任。