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随着5G的到来,氮化镓能成为新的材料宠儿吗?要先克服两大挑战

5G时代的到来会对半导体材料掀起怎样的波澜?SEMI全球总裁暨首席执行官Ajit Manocha在今年半导体展的“策略材料高峰论坛”致辞视频中提到, 5G和AI将促使市场都围绕在“功耗”这件事情上,凸显了材料将会是半导体领域大发展重点学。

在疫情的冲击下,人类改变了原有的生活作息,居家办公、远距教学所带动的不只是对相关电子设备的需求大增,也让云端产业、数据中心的角色更为重要,回归到运算的需求,寻找到能满足散热需求的材料变成了一个重要课题。

不过原本以“硅(Si)”材料为主的半导体,在5G时代遇到了什么问题呢?

“因为电子硅在里面跑得不够快、不能做高频,也不耐高(电)压,所以不适合做高功率组件”,台湾工研院电子与光电系统研究所所长吴志毅一语道破硅的困境。

硅是目前地球上仅次于氧的丰富元素,在过去近60年以来,一直是半导体制作上不可或缺的材料,除了因为容易取得的优势外,它的机械性够强、制作上也有不易破的特点,而且基础建设也相对完整,因此一直是近年来半导体的首选材料。

但是5G的时代下,应用场景不少是聚焦在高频、高压的应用上,这就使得硅本身的材料特性受限,也使得半导体产业需要寻找其他的材料,砷化镓、氮化镓、硫化锌以及碳化硅等都是热门候选材料。吴志毅也指出,目前第二代半导体材料以砷化镓为主,因为技术上相对纯熟,还能制作高频的组件,但缺点是不耐高电压。

“现在有不少手机里面的组件就已经是采用砷化镓了,”吴志毅说。如苹果手机所采用的人脸辨识,因采用VCSEL(面射型雷射)技术,使具备可发光、可吸收光等物理特性的砷化镓成了重要的材料。不过市场仍是需要寻找一个能同时满足高频率、高功率的材料,氮化镓(GaN)变成了热门选择。

台湾交通大学副校长张翼在“策略材料高峰论坛”演讲时也分享到,半导体的新材料上,氮化镓(GaN)将会是继硅之后的一个重要的应用材料,“因为他用途很广、技术也相对纯熟”,他说。

吴志毅对此补充,目前氮化镓在LED的应用上已相当广泛,但是在电子半导体组件仍非主流,不过由于能满足高功率、高频的需求,已经成为第三代半导体材料的重要选项。

但目前氮化镓有2个技术上的难题,其一是以目前生长的基板碳化硅来说,尺寸上尚无法突破6英寸晶圆的大小,同时碳化硅的取得成本较高,导致目前既无法大量生产、价格也压不下来;第二个则是要如何让氮化镓能在硅晶圆上面生长、并且拥有高良率,是业界要突破的技术,如果可以克服并运用现有的基础设施,氮化镓未来的价格跟产量就能有所改善。

其实氮化镓能应用的领域不少,包括雷达预警、5G通讯、消费电子、车联网等等,但张翼认为车联网将会是氮化镓等新材料应用场景的重要希望。

主要因为车联网连接的不只是5G,甚至是下一代6G、7G等行动通讯网络,因此在带宽、速度的需求下,氮化镓因为能够耐高温(约200度),成了高速联网系统的最佳应用材料。至于现在所提到的5G智能手机等相关设备,在他看来都还是很初级的应用。

目前主流氮化镓生产厂商依旧集中在欧洲和日本,主要有德国Siltronic、日本Sumco、比利时的EpiGaN等。我们企业整体上尚未接入第一梯队,主要有三安光电、闻泰科技、海特高新等,规模和技术水平和国外相比,仍处于初级阶段,材料制造设备也依赖于进口,整个氮化硅的产业链尚未形成等。只有解决这些问题,方可提高我国半导体材料整体水平。

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