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5G、新能源产业的另一面:化合物半导体正快速崛起

2019-10-01 05:02
来源: 镁客网

苹果新品发布后,虽然再次被外界诟病缺乏创新,但“浴霸”三摄,还是让不少消费者“真香”,而前两年推出的Face ID则被称为苹果最后的创新,带起了手机厂商的学习效仿风。也正是因为Face ID,苹果拉了一把上游的VCSEL产业链,化合物半导体以一种全新的方式“席卷”消费端市场。

同时,随着5G商业化的快速推进,作为5G关键电子元器件的一部分,化合物半导体也再次站到了风口浪尖,引发了新一轮产业洗牌和变革。

材料千千万,化合物半导体的春天来了

硅谷之所以以硅为名,因为硅是一种重要的半导体材料,当硅材料取代笨重的电子管,英特尔、苹果、高通、台积电、三星顺势而起,集成电路的突破成就了这些科技巨头。

当前,全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的。不过,在电子半导体的另一面,以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等为代表的化合物半导体,正在快速崛起。

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光纤通信、手机的无线通信系统、用于三维识别的VSECL泛光源、自动驾驶的毫米波雷达、5G基站的射频模块……新应用场景的涌现,是化合物半导体大规模应用的催化剂。

化合物半导体的概念很简单,就是一类由化合物构成的半导体材料,通常由两种以上的元素构成,所以它的组合方式很多,带来的想象空间也更大。image.png

当前,业内将硅基半导体称为第一代半导体材料,化合物半导体则囊括了第二代和第三代材料,第二代主要以砷化镓(GaAs)为代表,第三代半导体材料则囊括了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等,因其禁带宽度(带隙)大于或等于2.3电子伏特,又被称为宽禁带半导体材料。

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图源:半导体行业观察

相较于硅基半导体,化合物半导体最显著的特性是电子迁移率高,所以适用于高频、大功率传输,适合射频器件、光电器件、功率器件的制造;硅半导体则多用于逻辑器件、存储器等。从这个角度看,化合物半导体是硅器件的延伸,不是替代,两者构成了现在的电子化、智能化时代。

举个例子,5G频率高,传输距离短,对功率要求高,相应的对基站与终端的应用场景提出了全新挑战,通讯组件与电子器件必须适应更高频、高温、高功率的环境,氮化镓体积小功率大的特性,就是目前最适合5G基站PA(射频功率放大器)的材料。而前几代通讯技术的射频模块材料则被砷化镓包下,砷化镓也是目前智能手机设PA的主要半导体材料。可想而知,化合物半导体材料的发展前景非常广阔。

但和成熟的硅基半导体产业不同的是,化合物半导体由于材料的特殊性和生产制备的复杂性,其产业链的技术远没有硅基半导体成熟。

消费电子产品以数亿量级铺开,产业链上下游早已经做好了准备,但当化合物半导体的应用量级在快速飙升时,产业链的步伐却没能及时跟上。

量级不一样,生产制备工艺的挑战变高,业内人士曾举过例子,“集成电路设计图给到台积电,后续的生产工艺完全不用担心。但化合物半导体代工厂完全不一样,工程师还需要去FAB代工厂讨论工艺怎么做。”

产业分工逐渐明朗,关键技术在国外巨头手中

在理清化合物半导体产业链发展现状前,首先得明确两个概念:衬底和外延。

衬底是半导体单晶材料制成的晶圆片,它既可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以通过外延工艺加工生产成外延片。

外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程,新单晶可以与衬底为同一材料,也可以是不同材料。比如氮化镓通常会在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底上进行外延。

化合物半导体与硅半导体的制备工艺类似,但是晶圆制造有所区别,硅半导体采用直拉法生长成一个圆柱型的单晶硅棒,对单晶硅棒进行切割制成晶圆;化合物半导体则是在 GaAs、InP、GaP、蓝宝石、SiC 等化合物基板上形成薄膜(外延层),然后对这个外延层加工,实现特定的器件功能。

当前,外延片生长主要依靠生长工艺和设备,制造外延片的主流方法包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延,前者属于行业市场“最经济”的外延生长方法,但设备制造难度依然很大,只有少数公司可以进行商业化生产。

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图 | MOCVD系统

所以化合物半导体产业链通常可以分为:设计、外延、晶圆制造和封测等环节,其中外延又包括衬底。

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