5G時代的到來會對半導(dǎo)體材料掀起怎樣的波瀾？
 

SEMI全球總裁暨首席執(zhí)行官Ajit Manocha在今年半導(dǎo)體展的“策略材料高峰論壇”致辭視頻中提到， 5G和AI將促使市場都圍繞在“功耗”這件事情上，凸顯了材料將會是半導(dǎo)體領(lǐng)域大發(fā)展重點學(xué)。
 

在疫情的沖擊下，人類改變了原有的生活作息，居家辦公、遠(yuǎn)距教學(xué)所帶動的不只是對相關(guān)電子設(shè)備的需求大增，也讓云端產(chǎn)業(yè)、數(shù)據(jù)中心的角色更為重要，回歸到運算的需求，尋找到能滿足散熱需求的材料變成了一個重要課題。

不過原本以“硅（Si）”材料為主的半導(dǎo)體，在5G時代遇到了什么問題呢？
 

“因為電子硅在里面跑得不夠快、不能做高頻，也不耐高（電）壓，所以不適合做高功率組件”，臺灣工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長吳志毅一語道破硅的困境。
 

硅是目前地球上僅次于氧的豐富元素，在過去近60年以來，一直是半導(dǎo)體制作上不可或缺的材料，除了因為容易取得的優(yōu)勢外，它的機械性夠強、制作上也有不易破的特點，而且基礎(chǔ)建設(shè)也相對完整，因此一直是近年來半導(dǎo)體的首選材料。
 

但是5G的時代下，應(yīng)用場景不少是聚焦在高頻、高壓的應(yīng)用上，這就使得硅本身的材料特性受限，也使得半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需要尋找其他的材料，砷化鎵、氮化鎵、硫化鋅以及碳化硅等都是熱門候選材料。吳志毅也指出，目前第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為主，因為技術(shù)上相對純熟，還能制作高頻的組件，但缺點是不耐高電壓。
 

“現(xiàn)在有不少手機里面的組件就已經(jīng)是采用砷化鎵了，”吳志毅說。如蘋果手機所采用的人臉辨識，因采用VCSEL（面射型雷射）技術(shù)，使具備可發(fā)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。
 

臺灣交通大學(xué)副校長張翼在“策略材料高峰論壇”演講時也分享到，半導(dǎo)體的新材料上，氮化鎵（GaN）將會是繼硅之后的一個重要的應(yīng)用材料，“因為他用途很廣、技術(shù)也相對純熟”，他說。
 

吳志毅對此補充，目前氮化鎵在LED的應(yīng)用上已相當(dāng)廣泛，但是在電子半導(dǎo)體組件仍非主流，不過由于能滿足高功率、高頻的需求，已經(jīng)成為第三代半導(dǎo)體材料的重要選項。
 

但目前氮化鎵有2個技術(shù)上的難題，其一是以目前生長的基板碳化硅來說，尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小，同時碳化硅的取得成本較高，導(dǎo)致目前既無法大量生產(chǎn)、價格也壓不下來；第二個則是要如何讓氮化鎵能在硅晶圓上面生長、并且擁有高良率，是業(yè)界要突破的技術(shù)，如果可以克服并運用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，氮化鎵未來的價格跟產(chǎn)量就能有所改善。
 

其實氮化鎵能應(yīng)用的領(lǐng)域不少，包括雷達(dá)預(yù)警、5G通訊、消費電子、車聯(lián)網(wǎng)等等，但張翼認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)將會是氮化鎵等新材料應(yīng)用場景的重要希望。
 

主要因為車聯(lián)網(wǎng)連接的不只是5G，甚至是下一代6G、7G等行動通訊網(wǎng)絡(luò)，因此在帶寬、速度的需求下，氮化鎵因為能夠耐高溫（約200度），成了高速聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最佳應(yīng)用材料。至于現(xiàn)在所提到的5G智能手機等相關(guān)設(shè)備，在他看來都還是很初級的應(yīng)用。
 

目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠商依舊集中在歐洲和日本，主要有德國Siltronic、日本Sumco、比利時的EpiGaN等。我們企業(yè)整體上尚未接入第一梯隊，主要有三安光電、聞泰科技、海特高新等，規(guī)模和技術(shù)水平和國外相比，仍處于初級階段，材料制造設(shè)備也依賴于進(jìn)口，整個氮化硅的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成等。只有解決這些問題，方可提高我國半導(dǎo)體材料整體水平。