三五族半導體：下個世代半導體材料的解答？
日期：2021/01/10
文：B.H.Huang / 校稿: Y.C.Lo
閱讀程度：普通
閱讀時間：5 min
近來5G通信的普及、正在快速成長的自駕電動車、以及由馬斯克吹響號角的太空競賽，在這些當紅科技趨勢下有樣東西也不斷被提起：三五族半導體。沒錯，不管是5G基地台或是電動車和火箭裡面的IC，都需要這種化合物當作半導體的新材料，究竟這種材料有甚麼魔力是一般矽材無法匹敵的呢？以下我們從頭慢慢介紹。
蛤什麼三族？什麼五族？
大家還記得以前國中一直在背的元素週期表嗎？在整張表裡總共有八族，分別以原子外面帶「幾顆電子」來區分是哪一族的，一般我們常聽到的半導體晶圓、晶片的材料幾乎都是由第四族的「矽Si」組成，而「三五族半導體」指的就是元素週期表裡由第三族和第五族形成的化合物，會讓外面的電子數總和為8，形成一個很穩定的「八隅體」，像是砷化鎵 (GaAs)、氮化鎵 (GaN) 、磷化銦 (InP)等，巧妙的是這些化合物的導電性也是屬於介在導體和絕緣體之間，因此，很適合拿來開發成半導體材料。
三五族半導體猛在哪？
那麼這種三五族化合物的半導體和一般矽的差在哪裡呢，以下我們可以從兩個材料特性來分析兩者在應用上的差異：
寬能隙 (Wide band gap)：一顆原子外圍有許多顆電子，而這些電子都喜歡待在特定的軌道上，軌道彷彿一個個階梯一般，而能隙就是指這些階梯和階梯間的距離，當距離越大需要跨到下一階的能量也要越大，因此，三五族半導體的寬能隙讓他們的電子能容納更多的能量，使他們可以承受更高的電壓，很適合放大器、變壓器等之類的元件，現在市面上已經有氮化鎵 (GaN)充電器，體積就比傳統充電器的小很多，除此之外，像電動車、火箭這種大電壓的電子設備也都會用到三五族半導體。
高電子遷移率 (High electron mobility)：電子遷移率指的是電子在我們材料中能夠跑得多快，假如電子在一半導體材料裡跑得越快，「充電和放電」的速度也就越快，這樣每一秒能傳輸的資料也就越多，因此，在未來 5G 時代這種高頻率且傳輸訊息量很大的情況下，使用具高電子遷移率的三五族是很有優勢的。
路還很長，路還很長
由以上特性，我們不難看出三五族半導體的未來潛力有多麼巨大，當我們想要有更快的資料傳輸速度、當我們在城市移動的定義被改寫、當我們不再只想待在地球表面，這就是三五族半導體崛起並雄霸一方的時候。
當然，三五族半導體相較於目前的產業應用來說，技術方面還有很多還沒到位，例如以晶圓製造來說，由於大多採用碳化矽 (SiC) 這個材料，導致晶圓尺寸很難做到超過6吋的大小，也就讓製作一片晶片的生產成本提高不少；此外由於目前晶片仍以「矽」當作主要材料，而砷化鎵 (GaAs)、氮化鎵 (GaN) 這些化合物的分子結構和矽元素差很多，因而導致三五族化合物很難和矽「接合」在一起，因此，如何讓三五族半導體整合進現有的矽晶圓製程是一大挑戰。
三五族半導體有得天獨厚的特性，卻也有來自材料本身的限制，台灣已經有不少公司投入到三五族半導體的晶圓生產和製程研發，包括穩懋、宏捷科等，都是在默默努力撐起台灣高功率半導體技術的先進，筆者自身的研究題目也是三五族半導體，也很看好這個未來擁有很多應用場景的材料，期待能看到台灣未來在三五族半導體的領域擁有更多的話語權！
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