化合物半導體是由週期表中2種以上元素組合而成之半導體材料的總稱。與屬於元素半導體的矽（Si）或鍺（Ge）不同，代表例有砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）、磷化銦（InP）、磷化銦鎵（InGaP）等。
化合物半導體最大的特點是具備矽所沒有的優異電氣・光學特性。例如，GaAs 與 InP 的電子遷移率約為矽的5～10倍，適合高速・低雜訊的高頻元件（智慧型手機的 RF 前端、雷達、通訊衛星）。GaN 具有寬能隙（3.4eV）與高崩潰電場，用於高頻・高輸出功率放大器。SiC 具優異的耐熱・耐高壓特性，在電動車變頻器中的採用急速擴大。
光元件（LED・雷射二極體・光偵測器）利用矽無法實現的直接能隙，因此使用 GaAs・GaN・InP 等化合物半導體。廣泛應用於光通訊（InP 系 DFB 雷射）、智慧型手機的臉部辨識（GaAs 基 VCSEL）、資料中心的光收發模組等。
製程使用與矽半導體幾乎相同的微影・蝕刻・成膜步驟，但晶圓主要使用 GaAs 基板（4～6吋）、SiC 基板（4～8吋）、GaN on Si 基板等。磊晶成長使用 MOCVD（有機金屬化學氣相沉積）或 MBE（分子束磊晶），Veeco、AIXTRON、東京威力科創是主要設備廠商。
市場方面，GaN 功率元件因 EV・智慧型手機快充需求而急速成長，SiC 元件在 EV 主變頻器的採用也正加速（英飛凌（Infineon）、意法半導體（STMicroelectronics）、Wolfspeed 為主要廠商）。在矽的微縮逼近物理極限之際，化合物半導體的重要性日益提高。