引言：第三類半導體是由兩個或多個不同族的化學元素組成的半導體材料，例如氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等。第三類半導體具有高溫、高壓、高頻、高功率、低功耗、高可靠性等優異的特性，因此在電動車、5G、再生能源、工業4.0等新興應用領域中扮演不可或缺的角色。矽基氮化鎵是一種將氮化鎵磊晶在矽基板上的半導體結構，它結合了矽的低成本、高積體度和氮化鎵的高效能、高速度的優點，適合用於高頻、高功率的元件和電路，例如5G的毫米波通訊、雷達、衛星等。矽基氮化鎵也有助於克服氮化鎵基板的缺乏和昂貴的問題，提高第三類半導體的市場競爭力。
博大國際視野：六大核心戰略產業 / 資訊及數位產業 - 半導體先進製程
臺灣2022年政府規劃推動半導體先進製程中心，力拚119年產值達5兆元。為了解近年國際上半導體製程技術的發展趨勢，本次報導就近五年美國矽基氮化鎵相關專利，從CPC分類號、非專利文獻引用與DI的高影響力分數初步解析矽基氮化鎵近年申請趨勢。
壹、
美國主要申請人以IDM廠為主，我國台積電擠進前五名，領先三星，躍居晶圓代工廠第一
美國近五年前五大專利申請人為日商三菱(MITSUBISHI
ELECTRIC CORP)、美商英特爾(INTEL CORPORATION)、日商東芝(TOSHIBA CORP)、台商台積電(TAIWAN SEMICONDUCTOR
MANUFATURING CO)以及德商英飛凌(INFINEON TECHNOLOGIES AG)，可以發現大多以整合元件製造廠(Integrated Device Manufacturer, IDM)為主，相較於美國以IDM廠型態為主，我國在矽基氮化鎵布局的廠商主要以積體電路製造業者為主，尤其是台積電擠入了前五大申請人超越其他積體電路製造業者，展現了在矽基氮化鎵布局的企圖心比三星等競爭對手要強，期望能將我國在第一類半導體領先的專業分工成功模式延伸到第三類半導體領域。
貳、 當前專利布局以高電子移動率電晶體（High
electron mobility transistor, HEMT）為主，尤其是金屬-絕緣層-半導體(metal-insulator–semiconductor, MIS) HEMT；光電應用近年有成長態勢。
HEMT是一種利用異質接面形成的二維電子氣體通道來提高電流流動速度的半導體元件。HEMT 的優勢是具有高頻率、高功率、高效率和高溫度的性能，適用於雷達、通訊、太空和電力轉換等領域；導入GaN可以提高HEMT的效能指數，使其在切換頻率、額定功率、熱能力和效率方面都比傳統的矽基裝置更優秀，並且可以減少尺寸和重量，達到高密度和高可靠性的設計。
下圖為近5年CPC五階技術分類號各年度前五名分類號的彙整，各年度前五名分類號重複出現的分類號彙整後共有11個分類號。可以發現與HEMT相關的分類號，幾乎在各個年度都有較高的申請量，主要技術集中在H01L 29/66462具有異質接面介面通道或閘極，例如 HFET、HIGFET、SISFET、HJFET、HEMT；H01L 29/7787 具有寬頻隙電荷載子供應層，例如直接單異質結構 MODFET；H01L 29/7786具有直接單異質結構，即在主動層頂部形成寬頻隙層，例如直接單異質結構MIS類HEMT；H01L 29/778具有二維電荷載氣通道，例如HEMT ，在異質結界面處形成二維電荷載子層。
從五大專利權人觀察同樣可以發現，三菱、英特爾、東芝與台積電前五大分類號均包含了HEMT相關的分類號，尤其是MIS HEMT；五大專利權人中，台積電相較於其他IDM業者較為專精於GaN HEMT使用於具有勢壘的整流、放大、振盪開關、電容器或電阻器技術，而IDM業者則同時也對絕緣層、導線架等封裝技術與基板分割、多個非重複性元件規劃之化合物積體電路進行布局。
此外，光學應用近年申請量逐漸地增加，英特爾及英飛凌分別對光電元件、與雷射束發射進行佈局，相關的技術分類號有H01L 25/167使用兩個或多個不同III-V族中元素之光電元件；用於材料內部改良或重整之斷裂引起裂紋，作為雷射束發射；H01L 27/15包括具有勢壘(potential barrier hill)的半導體元件，特別適用於光發射；H01L 33/06在發光區域內，例如量子限制結構或隧道勢壘。
參、
台積電、聯電在GaN HEMT為近五年前五大申請人，整體產業鏈布局可持續加強。
進一步觀察HEMT主要專利權人，HEMT前五大專利權人分別為我國的聯電與台積電、日商東芝與住友電機以及美商Intel，顯見我國積體電路製造業者在GaN HEMT布局的企圖心並已佔有一席之地，但也顯示了與IDM業者相比，整體產業鏈的元件應用與終端產品可能仍有努力的空間。
肆、
從非專利文獻引用數量來看，矽基板生長GaN外延層當前技術仍有改善空間。
矽基板生長GaN外延層目前仍有晶格不匹配(矽和氮化鎵之間有17%的晶格常數差異，這會導致生長過程中產生大量的缺陷，如差排、龜裂等，影響薄膜的品質和可靠性)；熱膨脹係數不匹配(矽和氮化鎵之間有46%的熱膨脹係數差異，這會導致生長結束後的降溫過程中產生熱應力，造成薄膜的應力釋放和破壞)；能階不匹配(矽的能階遠小於氮化鎵，這會導致矽基板吸收氮化鎵發光二極體的部分光子，降低發光效率)等技術問題。(參考資料)
為了解決這些技術痛點，目前有幾種方法被廣泛研究，如優化緩衝層(通過設計合適的緩衝層結構，如鋁氮化鎵/氮化鎵超晶格、碳化矽/氮化鎵超晶格等，可以減少晶格不匹配和熱膨脹係數不匹配所造成的缺陷，提高薄膜的平整度和品質)；降低生長溫度(通過採用分子束外延、等離子體輔助化學氣相沉積等低溫生長技術，可以減少熱應力和熱損傷，提高薄膜的結晶性和可靠性)；增加發光效率(通過採用反射層、表面粗化、奈米結構等方法，可以增加氮化鎵發光二極體的光取出效率，減少矽基板的吸光損失)。(參考資料)
從非專利文獻引用數量觀察，Qorvo Inc.、Analog Modules, Inc.皆具有多篇專利引用非專利文獻數量超過千件，Qorvo
Inc.主要透過設計合適的緩衝層結構解決，Qorvo Inc.是全球主要的功率放大器和濾波器供貨商，專門開發，並商業化適用於無線網路、有線網路，以及電源技術領域的半導體技術與產品，該公司主要業務範圍涵蓋手機裝置、行動通信基地台、電源管理與轉換、無線連接、國防與航太、汽車工業連線，與其他應用市場，協助這些領域的客戶處理關鍵射頻(RF)，與電源相關挑戰，增進運作效能、效率，並減少過程的複雜性(資料來源)。
Analog Modules, Inc則是從降低生長溫度角度出發，改良沉積方法； Analog Modules, Inc. (“AMI”) 成立於 1979 年，主要為雷射和光電行業設計和製造各種模擬電子產品。這些產品服務於軍事、醫療、科學和工業市場的應用。
2018-2022 Non
Patent Citation Patent
US11522056B2 Apparatus
for fabricating gallium nitride based module used in high frequency and high
power applications, has first mold compound for residing over top surface of
substrate body, and second mold compound filled to opening. (Qorvo Inc,
美國)
US11658029B2 Forming
device structure by using thermal cyclic deposition to selectively deposit
gallium nitride on first portion of substrate comprising aluminum nitride
and/or gallium nitride relative to second portion comprising another material. (Analog Modules, Inc, 美國)
US20200294789A1
Semiconductor
device structure used in e.g. transistors, comprises substrate comprising
metallic surface and dielectric surface, silicon nitride film, and diffusion
barrier layer arranged between copper interconnect and dielectric surface. (Analog Modules, Inc, 美國)
US11456258B2
Electrical
device such as metal oxide semiconductor field effect transistor has printable
semiconductor element in electrical contact with pair of electrodes, providing specific
fill factor between electrodes. (UNIVERSITY
OF ILLINOIS, 美國)
US11374106B2 Semiconductor
product has nanostructured pedestal which is formed on semiconductor substrate,
and is comprised of top surface and side surface, and selective growth mask
layer which is formed on exposed top surface of pedestal. (UNIVERSITY OF NEW MEXICO, 美國)
US11342438B1 Device e.g. heteroepitaxial nanostructure, has selective growth mask that is provided on top surface and side surface of pedestal, and portion of growth mask layer that is removed to expose seed area, and epitaxial layer is grown on seed area. (UNIVERSITY OF NEW MEXICO, 美國)
伍、
從高影響力專利觀察來看，通訊/射頻應用為目前大宗，Micro LED值得關注。
從高強度專利觀察，美商AKOUSTIS INC即針對了應用矽基氮化鎵的射頻應用元件進行布局，Akoustis 是一家高科技BAW射頻濾波器解決方案公司，率先推出新一代材料科學，以滿足市場對改進射頻濾波器針對更高頻寬、工作頻率和頻率的需求，與現有多晶BAW技術相比，輸出功率更高。該公司利用其專有的XBAW單晶BAW製造工藝為行動和其他無線市場生產立體聲波RF濾波器，這有助於訊號蒐集並加速天線和數位後端之間的頻寬性能。高純度，單晶壓電材料和諧振器-濾波器工藝技術的顯著進步推動了卓越的性能，該技術驅動機電耦合併轉換為寬濾波器頻寬(資料來源)。
透過矽基氮化鎵可以使用大尺寸的矽晶圓，例如200 mm或300 mm，來提高Micro LED晶片的產量和降低成本，與成熟的半導體製程相容，利用半導體設備來處理微小的Micro LED晶片，提高精度和良率；並實現矽基板的剝離，方便Micro LED晶片的轉移和整合，避免使用藍寶石基板時需要的雷射分離等複雜步驟；此外矽基板的紅光Micro LED開發突破傳統紅光AlInGaP體系的限制，實現高效率和高穩定性的紅光Micro LED晶片。LIGHT SHARE LLC針對異質堆疊微像素進行布局，META也在應用micro led的頭戴式顯示器進行申請，顯見下一代智慧型穿戴顯示裝置乃至於未來元宇宙相關技術，矽基氮化鎵技術的發展能提供有效的助益。
2018-2022
High Technology Impact Patent
US10979025B2 RF filter
circuit device for electronic device e.g. communication device, has parallel
configuration comprised with four shunt configuration resonators. (AKOUSTIS
INC, 美國)
US10305030B2 Electronic
device, has tunnel barrier layer formed over free layer, pinned layer formed
over tunnel barrier layer, and for defining pinned magnetization direction, and
amorphous spacer arranged between ferromagnetic materials. (SK HYNIX INC, 韓國)
US10511142B2
Pulsed
current driver for driving e.g. LED, has damping circuit comprising input
connected to terminal of current-driven load, where damping circuit comprises
rectifying device and damping device connected in series with rectifying device.
(Analog Modules, Inc, 美國)
US20190229149A1
Multi-color
monolithic micro-LED pixel for use within viewable displays, has first
sub-pixel including LED material stack that includes nitride material layer,
and dielectric sidewall arranged between LED material stacks of sub-pixels. (LIGHT SHARE LLC, 美國)
US20200294789A1 Semiconductor
device structure used in e.g. transistors, comprises substrate comprising
metallic surface and dielectric surface, silicon nitride film, and diffusion
barrier layer arranged between copper interconnect and dielectric surface. (ASM INTERNATIONAL N.V., 荷蘭)
US20230273434A1 Flat
optical device such as metasurfaces used in conjunction with various
technologies, has second nanostructure layer including second array of
meta-elements in second array of segments. (META PLATFORMS INC, 美國)
US11664357B2
Direct bonding of dissimilar
material in microelectronic device involves forming/depositing thin amorphous
layer of oxide, carbide, nitride, carbonitride, or oxynitride on different
substrate(s) surface, and directly bonding substrates. (Adeia Inc., 美國)
參考資料：
1. 國內外第三類半導體產業的發展與趨勢展望 (產業雜誌) (2023.05.01)
2.
科普：從物理機制到仿生運算，「電阻式記憶體」為何備受期待？ (2022.04.25)
3. 第三代半導體氮化鎵(GaN)發展趨勢？聽聽全球市占前幾大廠怎麼說？ (2023.09.06)
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