諸玲珍

編者按：日前，第二屆全球IC企業(yè)家大會(huì)在上海舉辦。作為六個(gè)分論壇之一的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)論壇同期舉辦，分論壇由賽迪智庫(kù)集成電路研究所、中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟承辦，主題為《迎接化合物半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化浪潮》，與會(huì)專家就化合物半導(dǎo)體材料、芯片、設(shè)備等發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)進(jìn)行了研討。

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院院長(zhǎng)盛況：新能源為寬禁帶半導(dǎo)體帶來機(jī)遇

功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與全球能源的消耗緊密相關(guān)。在過去的幾十年以及未來30年，我們面臨的趨勢(shì)是化石能源使用的逐漸減少，可再生能源應(yīng)用的進(jìn)一步增加。

可再生能源開發(fā)及節(jié)能減排都需要用到電力電子技術(shù)。不管是光伏、風(fēng)電、新能源汽車，都需要對(duì)電能進(jìn)行控制，而電能控制最核心的元件就是芯片，即供能芯片。供能芯片不需要精細(xì)線寬，它需要和應(yīng)用緊密結(jié)合，在這方面，中國(guó)企業(yè)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭袌?chǎng)需求在我們自己手里，而且離我們最近。

功率半導(dǎo)體芯片目前發(fā)展到第3代，即以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，它們具有導(dǎo)熱率高、擊穿電場(chǎng)高、介電常數(shù)低、禁帶寬度高、飽和漂移速度高等一系列優(yōu)勢(shì)。以新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例，采用寬禁帶半導(dǎo)體芯片可以提高效率、節(jié)省冷卻系統(tǒng)體積、提高功率密度，使電池效率提高10%，這是一個(gè)很大的比例.

碳化硅電力電子器件主要包括二極管及MOSFET。在碳化硅二極管器件產(chǎn)品方面，國(guó)內(nèi)外20余家公司批量銷售Sic肖特基二極管系列產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展到第五代，采用薄片、溝槽等先進(jìn)技術(shù)，在不斷提升性價(jià)比的同時(shí)，應(yīng)用可靠性顯著提升;在碳化硅MOSFET器件產(chǎn)品方面，1700V以下中低壓產(chǎn)品性能可靠性滿足應(yīng)用要求，產(chǎn)品發(fā)展到第三代，采用新型柵氧、溝槽結(jié)構(gòu)等技術(shù)，比導(dǎo)通電阻降低到第一代產(chǎn)品的1/3，闞值電壓高溫穩(wěn)定性顯著提升。

當(dāng)前，國(guó)際上碳化硅器件排名前十位的公司占了市場(chǎng)98%的份額，這里面沒有中國(guó)公司，這正是我們要努力的方向。未來，寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)之一是碳化硅材料，尤其是襯底扮演的角色將越來越重要。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)在芯片加工這個(gè)環(huán)節(jié)還不是很穩(wěn)定，但未來5年之內(nèi)一定會(huì)有若干家公司在芯片加工工藝的穩(wěn)定性和品后方面做到在市場(chǎng)上立足。

蘇州納維科技有限公司董事長(zhǎng)徐科：全氮化鎵器件將是明確發(fā)展方向

2005年，甚至更早一點(diǎn)，碳化硅還沒有商業(yè)化的單晶碳化硅襯底，全部是在硅上生長(zhǎng)，今天的氮化鎵是在碳化硅或者是硅上外延，所以從半導(dǎo)體材料角度來看，材料的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。

氮化鎵的發(fā)展是從藍(lán)光LED發(fā)展開始的。藍(lán)光LED主要是在藍(lán)寶石上外延，是目前絕對(duì)主流技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于氮化鎵的外延技術(shù)發(fā)展出了功率器件.特別是硅上的氮化鎵。將來這個(gè)技術(shù)最大的空間是電壓600V以下的功率器件。而射頻器件主要采用的是碳化硅基氮化鎵，主要因?yàn)樯岬目紤]，現(xiàn)在基站射頻器件，70%的能量是熱量，30%是發(fā)射微波，碳化硅散熱更好，所以是首選。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，基于氮化鎵單晶材料的高質(zhì)量，全氮化鎵器件是明確的發(fā)展方向，但是發(fā)展有多抉，需要產(chǎn)業(yè)界慢慢驗(yàn)證。其中一個(gè)是延續(xù)半導(dǎo)體照明和光電子，把半導(dǎo)體照明和LED技術(shù)繼續(xù)研發(fā)下去，尤其是做激光器肯定需要氮化鎵單晶材料，因?yàn)榧す馄鞯墓β拭芏群芨?，這剛材料質(zhì)量的重要性就顯示出來了。未來，功率電子和微波也是全氮化鎵器件的發(fā)展方同。

氮化鎵的單晶材料生長(zhǎng)最成熟的方法是HVPE法。首先，要把材料做得很厚，或者是質(zhì)量做得很好，最重要的是要控制應(yīng)力。其次，需要控制導(dǎo)電性，這有兩種方法：一個(gè)是摻Ge，一個(gè)是摻Si，業(yè)內(nèi)目前傾向于摻Ge。最后，需要對(duì)材料進(jìn)行表面拋光大，達(dá)到更完美的表面質(zhì)量。

氮化鎵單晶材料非常重要，從技術(shù)上已經(jīng)可以生產(chǎn)2英寸、4英寸和6英寸，但產(chǎn)業(yè)的真正發(fā)展還需要和器件的用戶共同推進(jìn)。

中微半導(dǎo)體公司副總裁、MOCVD事業(yè)部總經(jīng)理郭世平：氮化鎵器件對(duì)外延設(shè)備提出更高要求

對(duì)于化合物半導(dǎo)體來說，外延是非常重要而又與眾不同的工藝，而對(duì)于不同的材料和應(yīng)用，主要有分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、氫化物氣相外延（HVPE）、液相外延（LPE）等。

MBE外延設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是垂直的，另一種是水平的，當(dāng)前垂直的用的比較多。MBE的優(yōu)點(diǎn)是材料的質(zhì)量非常好，但是生長(zhǎng)的速度比較慢。LPE外延是比較早期的外延方法，這種外延設(shè)備的結(jié)構(gòu)也有水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的區(qū)分。LPE外延現(xiàn)在用的少一些，目前在碲鎘汞材料的外延上用的更多。HVPE在氮化鎵和氮化鋁材料外延上應(yīng)用較多，目前大部分HVPE設(shè)備是自行搭建的，很少有商業(yè)化的設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)就是生長(zhǎng)速率比較快。

目前，化合物半導(dǎo)體有一些新興應(yīng)用，包括VCSEL、深紫外LED等，對(duì)外延設(shè)備都有更高的要求。

垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL用于人臉識(shí)別傳感器，用的是砷化鎵的外延技術(shù)，對(duì)材料的質(zhì)量、厚度、均勻性要求都非常高，且主要是6英寸。應(yīng)用場(chǎng)景非常廣闊，未來每部手機(jī)都可能使用VCSEL技術(shù)。中微也在計(jì)劃研制VCSEL的外延設(shè)備。

深紫外LED最主要的應(yīng)用是深紫外光凈化水和空氣，目前來說，日本和韓國(guó)的幾家企業(yè)做得比較好。當(dāng)前來看，深紫外LED在空氣凈化中應(yīng)用較多，包括空調(diào)和冰箱等。水的凈化要求LED的功率比較高，市場(chǎng)上用的還不多。但是市場(chǎng)前景很大，未來市場(chǎng)的爆發(fā)主要在水凈化市場(chǎng)。

MicroLED對(duì)外延的均勻性要求更高，波長(zhǎng)要小于2nm，MicroLED最大的問題還是工藝非常不穩(wěn)定。此外，氮化鎵功率器件是否會(huì)發(fā)展到12英寸，是否會(huì)使用氮化鎵做襯底，在射頻應(yīng)用中使用硅基氮化鎵還是碳化硅基氮化鎵，這些問題和挑戰(zhàn)都對(duì)外延設(shè)備的開發(fā)提出了更高要求。

蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司董事總經(jīng)理任勉：5G和高頻應(yīng)用讓氮化鎵大有用武之地

氮化鎵產(chǎn)品類型和對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)不斷發(fā)生變化，5G和高頻應(yīng)用讓氮化鎵大有用武之地。3.5GHz是一個(gè)分水嶺，3.5GHz及以上頻率，氮化鎵工藝有全面的優(yōu)勢(shì)，無論是帶寬、線性度、增益還是效率，硅器件都無法與氮化鎵競(jìng)爭(zhēng)。氮化鎵可以減小Massive MIMO基站的體積，氮化鎵的功率密度比當(dāng)前LDMOS技術(shù)高20多倍，每單位面積可將功率提高7到10倍;氮化鎵裸片尺寸為L(zhǎng)DMOS裸片尺寸的1/7至1/10，寄生電容大幅減少，可以更好地發(fā)揮射頻特性;氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)更小器件封裝，因而非常適用于MassiveMIMO天線系統(tǒng);氮化鎵的大帶寬特性能夠使得單個(gè)氮化鎵射頻功率器件替代LDMOS器件組合，使基站的體積不斷減小，成本不斷下降。

氮化鎵非常適合于制造5G和毫米波射頻前端系統(tǒng)，如大帶寬和高效率功率放大器（PA）、大功率大帶寬開關(guān)（RF SWITCH）、低噪聲高功率壓控振蕩器（VCO）、高可靠大帶寬低噪聲放大器（LNA）。

GaN高頻芯片相比低頻芯片，還有一些技術(shù)難題需要突破：首先，高頻條件下，缺陷的釋放時(shí)間要求更加嚴(yán)格，因此芯片的效率顯著下降;其次，高頻條件下寄生電容和電阻的影響增加，因此縮小柵長(zhǎng)不能有效提升增益;再次，高頻器件有嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，影響功率增益和效率;最后，亞微米柵會(huì)增加?xùn)艠O邊緣電場(chǎng).造成更高的漏電，降低擊穿電壓并引入可靠性問題。上述4個(gè)問題，涉及器件本身加工，同時(shí)也涉及PDK、建模以及與上游其他相關(guān)方合作，若解決這些問題，需要業(yè)內(nèi)同行加大投入，齊心協(xié)力做好氮化鎵產(chǎn)業(yè)。

英諾賽科科技有限公司董事長(zhǎng)駱薇薇：成本和生態(tài)是硅基氮化鎵發(fā)展兩大要素

5G應(yīng)用像一個(gè)巨大的引擎帶領(lǐng)我們走人一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命，也帶我們走進(jìn)高度智能化和信息化時(shí)代，而這樣的新時(shí)代對(duì)半導(dǎo)體材料的需求也發(fā)生了重大變化。硅基氮化鎵的特性和憂勢(shì)，剛好能夠滿足5G時(shí)代對(duì)半導(dǎo)體材料的需求。

硅基氮化鎵可大幅度減小終端應(yīng)用產(chǎn)品體積，并大幅提高功率轉(zhuǎn)化效率;開關(guān)速度可提高10倍，這在激光雷達(dá)這樣的應(yīng)用上，意味著能探測(cè)的距離更遠(yuǎn)、精度更高;功率密度提升2倍，可節(jié)能50%;較LDMOS功率密度提高4倍，工作頻率提高2倍。因此，氮化鎵芯片讓新一代電源體積更小，效率更高。

從各種市場(chǎng)預(yù)測(cè)看，硅基氮化鎵在未來幾年將進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)性的發(fā)展期.也就是說，未來5年會(huì)迎來硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)黃金發(fā)展期。怎樣才能在未來的5年黃金發(fā)展期內(nèi)盡快加速硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程？加快提高產(chǎn)品在市場(chǎng)的占有率？有兩個(gè)因素非常重要，一個(gè)是成本，一個(gè)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。

為了有效控制成本，要做到以下幾個(gè)方面：有效的商業(yè)模式、高效的制造工藝，以及一定的生產(chǎn)規(guī)模和配套的封裝測(cè)試的環(huán)節(jié)。同時(shí)，還要不斷提高產(chǎn)品的良率和推出新產(chǎn)品的頻率，即加快產(chǎn)品迭代升級(jí)來不斷降低未來在硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)化當(dāng)中的成本。硅基氮化鎵是一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，商業(yè)模式的選擇顯得非常重要，需要選擇一個(gè)高效率的商業(yè)模式，從傳統(tǒng)的角度來看，IDM模式對(duì)整個(gè)功率半導(dǎo)體來說是最成功有效的模式，同樣對(duì)硅基氨化鎵來說仍然是最有效的模式，因?yàn)镮DM模式可以非常有效地把市場(chǎng)、研發(fā)和整個(gè)工藝團(tuán)隊(duì)高效率的結(jié)合在一起，可以大幅縮短客戶需求到產(chǎn)品量產(chǎn)的時(shí)間。

除了成本之外，一個(gè)完善的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)也非常重要，而建立生態(tài)系統(tǒng)，最主要的就是合作，加強(qiáng)上游產(chǎn)業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)材料、設(shè)備、配套工藝的定制化，聯(lián)手開發(fā)硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)。

Qorvo應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)黃靖：5G時(shí)代化合物半導(dǎo)體將呈爆發(fā)性增長(zhǎng)

從4G向5G升級(jí)的過程中，化合物半導(dǎo)體將呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)。尤其是5G MIMO天線的使用，使得功率放大囂（PA）市場(chǎng)增長(zhǎng)更加迅速。未來幾年，不論在5G基站，還是升級(jí)的4G基站，使用氮化鎵技術(shù)的功率放大器都將成為市場(chǎng)的主流選擇。

以國(guó)內(nèi)為例，今年國(guó)內(nèi)部署的5G基站將達(dá)到10萬個(gè)，而到2020年，國(guó)內(nèi)將有40～80萬個(gè)5G基站的建設(shè)需求。5G MIMO天線陣列將達(dá)到64個(gè)。這樣龐大的天線陣列在功耗、尺寸、成本等方面都面臨前所未有的挑戰(zhàn)。如何運(yùn)用先進(jìn)的化合物半導(dǎo)體工藝達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)指標(biāo)成為5G MIMO最大程度發(fā)揮其性能的關(guān)鍵之一。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說，如何在5G基站的成本、可靠性、性能等方面找到一個(gè)最優(yōu)方案，也成為他們著重考慮的問題。隨著性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的硅基材料的性能局限性逐步顯現(xiàn)，氮化鎵功率放大器技術(shù)開始從特種應(yīng)用走向了通信市場(chǎng)。

氮化鎵材料本身的特性讓它們擁有高可靠性、高帶寬和支持更高的頻率的特點(diǎn)，對(duì)于相同的性能指標(biāo)，氮化鎵射頻器件的尺寸可以比其他技術(shù)小很多，產(chǎn)品尺寸和成本都會(huì)大幅下降，這讓天線陣列的整機(jī)性能和效率獲得了極大的提升。整個(gè)設(shè)備的尺寸變小，也更便于塔上安裝和維護(hù)。

作為業(yè)界領(lǐng)先的射頻方案供應(yīng)商，Qrovo推出了一系列的氮化鎵產(chǎn)品。如基于0.25微米工藝面向基站應(yīng)用市場(chǎng)的產(chǎn)品、0.15微米和90納米工藝適合于更高頻率要求的應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)品。此外，Qorvo還根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，將GaN、GaAs、SOI等不同材料以MCM的模式組裝到一起，提供高集成、小尺寸、低成本的解決方案。

華南理工大學(xué)教授李國(guó)強(qiáng)：為發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打好人才基礎(chǔ)

在各級(jí)政府的大力扶持下，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)打下較好的基礎(chǔ)。但客觀來講，我國(guó)第三代半導(dǎo)體在材料指標(biāo)、器件性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距。發(fā)展我國(guó)自主可控的第三代半導(dǎo)體核心元器件，迫在眉睫。要想發(fā)展好中國(guó)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，一定要有應(yīng)用牽引。比如，射頻前端是5G移動(dòng)通信的核心，其核心元器件如濾波器、功放等基本都基于第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)。保障我國(guó)第三代半導(dǎo)體核心元器件的供應(yīng)鏈安全，實(shí)質(zhì)上就是為我國(guó)5G通信重大戰(zhàn)略實(shí)施保駕護(hù)航。

在第三代半導(dǎo)體核心元器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化上，我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近20年的積累，闖出了一條與眾不同的基于硅襯底的第三代半導(dǎo)體技術(shù)路徑，通過材料、裝備、結(jié)構(gòu)、工藝創(chuàng)新，創(chuàng)建了獨(dú)有的產(chǎn)業(yè)化路線，研發(fā)了多種基于硅襯底的高性能第三代半導(dǎo)體芯片。迄今，已獲授權(quán)專利200余件。