5G時代的到來會對半導體材料掀起怎樣的波瀾？SEMI全球總裁暨執行長Ajit Manocha在今年半導體展的「策略材料高峰論壇」致詞影片中提到，在5G、AI的趨勢下，促使市場都圍繞在「功耗」這件事情上，凸顯了材料的發展將會是接下來半導體的顯學。

尤其在疫情的衝擊下，人類改變了原有的生活作息，居家辦公、遠距教學所帶動的不只是對於相關電子設備的需求大增，也讓雲端產業、資料中心的角色更為重要，回歸到運算的需求，尋找能滿足散熱的材料變成當前課題。

5G來臨，「矽」遇到了什麼問題？

不過原本以「矽（Si）」材料為主的半導體，為什麼遇到了5G時代的到來就必須要轉彎？

「因為矽在電子裡面跑得不夠快、不能做高頻，也不耐高（電）壓，所以不適合做高功率元件，」工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅一語道破矽的困境。

矽是目前地球上僅次於氧的豐富元素，在過去近60年以來，一直是半導體製作上不可或缺的材料，除了因為容易取得的優勢外，它的機械性夠強、製作上也有不易破的特點，而且基礎建設也相對完整，因此一直是近年來半導體在製作上選擇的材料。

但是5G的時代下，應用場景不少是聚焦在高頻、高壓的應用上，這就使得矽本身的材料特性被受限，也使得半導體產業需要尋找其他的材料，包括砷化鎵、氮化鎵、硫化鋅以及碳化矽等都是熱門人選。吳志毅也指出，目前第二代半導體材料以砷化鎵為主，因為技術上相對純熟，還能製作高頻的元件，但缺點是不耐高電壓。

「現在有不少手機裡面的元件就已經是採用砷化鎵了，」吳志毅說。像是蘋果手機所採用的人臉辨識，因採用VCSEL（面射型雷射）技術，讓具備可發光、可吸收光等物理特性的砷化鎵成了重要的材料。不過市場仍是需要尋找一個能同時滿足「高頻率」、「高功率」的材料，氮化鎵（GaN）變成了熱門選擇。

滿足高頻、高功率，氮化鎵成重要人選

交通大學副校長張翼在「策略材料高峰論壇」演講時也分享到，半導體的新材料上，氮化鎵（GaN）將會是繼矽之後一個重要的材料應用，「因為他用途很廣、技術也相對純熟，」他說。

吳志毅對此補充，目前氮化鎵在LED的應用上已相當廣泛，但是介入電子半導體元件仍非主流，不過狹著能滿足高功率、高頻的需求，已經成為第三代半導體材料的重要選項。

但目前氮化鎵有2個技術上的難題，其一是以目前生長的基板碳化矽來說，尺寸上尚無法突破6吋晶圓的大小，同時碳化矽的取得成本較高，導致目前既無法大量生產、價格也壓不下來；第二個則是要如何讓氮化鎵能在矽晶圓上面生長、並且擁有高良率，是業界要突破的技術，如果可以克服並運用原有的基礎建設，氮化鎵未來的價格跟產量就能有所改善。

其實氮化鎵能應用的領域不少，包括雷達預警、5G通訊、消費電子、車聯網等等，但張翼認為車聯網將會是氮化鎵等新材料應用場景的重要希望。

主要因為車聯網連動的不只是5G，甚至是下一代6G、7G等行動通訊網路，因此在頻寬、速度的需求下，氮化鎵因為能夠耐高溫（約200度），成了高速聯網系統的最佳應用材料。至於現在所提到的5G智慧型手機等相關設備，在他看來都還是很初階的討論。

建構在原有的基礎上，台灣要搶下材料的話語權

至於迎接這個未來半導體重要的核心—材料，台灣將面臨到的挑戰究竟是什麼？Ajit Manocha指出，台灣過去10年都是全球半導體材料的消費者，2019年金額更達到113億美元（約合3390億新台幣），結合台灣在半導體產業鏈上的製造、設計等強項，材料在下個世代要如何發展，台灣的半導體產業不得不重視。

張翼也認為，台灣已經建構在相當良好的半導體基礎建設之上，其實只要運用原有架構就能繼續發展，只是相對應的知識（Know How）要有，相關的投資也要對應到正確的領域上，才能把效果放大、加速半導體新材料的應用發展。

責任編輯：錢玉紘