化合物半導體產業趨勢論壇：迎接產業化浪潮

諸玲珍

編者按：日前，第二屆全球IC企業家大會在上海舉辦。作為六個分論壇之一的化合物半導體產業趨勢論壇同期舉辦，分論壇由賽迪智庫集成電路研究所、中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟承辦，主題為《迎接化合物半導體的產業化浪潮》，與會專家就化合物半導體材料、芯片、設備等發展現狀及未來趨勢進行了研討。

浙江大學電氣工程學院院長盛況：新能源為寬禁帶半導體帶來機遇

功率半導體技術的發展與全球能源的消耗緊密相關。在過去的幾十年以及未來30年，我們面臨的趨勢是化石能源使用的逐漸減少，可再生能源應用的進一步增加。

可再生能源開發及節能減排都需要用到電力電子技術。不管是光伏、風電、新能源汽車，都需要對電能進行控制，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線寬，它需要和應用緊密結合，在這方面，中國企業有優勢，因為市場需求在我們自己手里，而且離我們最近。

功率半導體芯片目前發展到第3代，即以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導體，它們具有導熱率高、擊穿電場高、介電常數低、禁帶寬度高、飽和漂移速度高等一系列優勢。以新能源汽車電機驅動器為例，采用寬禁帶半導體芯片可以提高效率、節省冷卻系統體積、提高功率密度，使電池效率提高10%，這是一個很大的比例.

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品方面，國內外20余家公司批量銷售Sic肖特基二極管系列產品，產品技術發展到第五代，采用薄片、溝槽等先進技術，在不斷提升性價比的同時，應用可靠性顯著提升;在碳化硅MOSFET器件產品方面，1700V以下中低壓產品性能可靠性滿足應用要求，產品發展到第三代，采用新型柵氧、溝槽結構等技術，比導通電阻降低到第一代產品的1/3，闞值電壓高溫穩定性顯著提升。

當前，國際上碳化硅器件排名前十位的公司占了市場98%的份額，這里面沒有中國公司，這正是我們要努力的方向。未來，寬禁帶半導體產業的發展重點之一是碳化硅材料，尤其是襯底扮演的角色將越來越重要。目前，國內企業在芯片加工這個環節還不是很穩定，但未來5年之內一定會有若干家公司在芯片加工工藝的穩定性和品后方面做到在市場上立足。

蘇州納維科技有限公司董事長徐科：全氮化鎵器件將是明確發展方向

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

氮化鎵的發展是從藍光LED發展開始的。藍光LED主要是在藍寶石上外延，是目前絕對主流技術。隨著技術的發展，基于氮化鎵的外延技術發展出了功率器件.特別是硅上的氮化鎵。將來這個技術最大的空間是電壓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，主要因為散熱的考慮，現在基站射頻器件，70%的能量是熱量，30%是發射微波，碳化硅散熱更好，所以是首選。

從長遠發展來看，基于氮化鎵單晶材料的高質量，全氮化鎵器件是明確的發展方向，但是發展有多抉，需要產業界慢慢驗證。其中一個是延續半導體照明和光電子，把半導體照明和LED技術繼續研發下去，尤其是做激光器肯定需要氮化鎵單晶材料，因為激光器的功率密度很高，這剛材料質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展方同。

氮化鎵的單晶材料生長最成熟的方法是HVPE法。首先，要把材料做得很厚，或者是質量做得很好，最重要的是要控制應力。其次，需要控制導電性，這有兩種方法：一個是摻Ge，一個是摻Si，業內目前傾向于摻Ge。最后，需要對材料進行表面拋光大，達到更完美的表面質量。

氮化鎵單晶材料非常重要，從技術上已經可以生產2英寸、4英寸和6英寸，但產業的真正發展還需要和器件的用戶共同推進。

中微半導體公司副總裁、MOCVD事業部總經理郭世平：氮化鎵器件對外延設備提出更高要求

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

MBE外延設備的結構主要有兩種，一種是垂直的，另一種是水平的，當前垂直的用的比較多。MBE的優點是材料的質量非常好，但是生長的速度比較慢。LPE外延是比較早期的外延方法，這種外延設備的結構也有水平結構和垂直結構的區分。LPE外延現在用的少一些，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用較多，目前大部分HVPE設備是自行搭建的，很少有商業化的設備，優點就是生長速率比較快。

目前，化合物半導體有一些新興應用，包括VCSEL、深紫外LED等，對外延設備都有更高的要求。

垂直腔面發射激光器VCSEL用于人臉識別傳感器，用的是砷化鎵的外延技術，對材料的質量、厚度、均勻性要求都非常高，且主要是6英寸。應用場景非常廣闊，未來每部手機都可能使用VCSEL技術。中微也在計劃研制VCSEL的外延設備。

深紫外LED最主要的應用是深紫外光凈化水和空氣，目前來說，日本和韓國的幾家企業做得比較好。當前來看，深紫外LED在空氣凈化中應用較多，包括空調和冰箱等。水的凈化要求LED的功率比較高，市場上用的還不多。但是市場前景很大，未來市場的爆發主要在水凈化市場。

MicroLED對外延的均勻性要求更高，波長要小于2nm，MicroLED最大的問題還是工藝非常不穩定。此外，氮化鎵功率器件是否會發展到12英寸，是否會使用氮化鎵做襯底，在射頻應用中使用硅基氮化鎵還是碳化硅基氮化鎵，這些問題和挑戰都對外延設備的開發提出了更高要求。

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

氮化鎵產品類型和對應的市場不斷發生變化，5G和高頻應用讓氮化鎵大有用武之地。3.5GHz是一個分水嶺，3.5GHz及以上頻率，氮化鎵工藝有全面的優勢，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爭。氮化鎵可以減小Massive MIMO基站的體積，氮化鎵的功率密度比當前LDMOS技術高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LDMOS裸片尺寸的1/7至1/10，寄生電容大幅減少，可以更好地發揮射頻特性;氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠實現更小器件封裝，因而非常適用于MassiveMIMO天線系統;氮化鎵的大帶寬特性能夠使得單個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，如大帶寬和高效率功率放大器（PA）、大功率大帶寬開關（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，還有一些技術難題需要突破：首先，高頻條件下，缺陷的釋放時間要求更加嚴格，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，因此縮小柵長不能有效提升增益;再次，高頻器件有嚴重的短溝道效應，影響功率增益和效率;最后，亞微米柵會增加柵極邊緣電場.造成更高的漏電，降低擊穿電壓并引入可靠性問題。上述4個問題，涉及器件本身加工，同時也涉及PDK、建模以及與上游其他相關方合作，若解決這些問題，需要業內同行加大投入，齊心協力做好氮化鎵產業。

英諾賽科科技有限公司董事長駱薇薇：成本和生態是硅基氮化鎵發展兩大要素

5G應用像一個巨大的引擎帶領我們走人一場產業革命，也帶我們走進高度智能化和信息化時代，而這樣的新時代對半導體材料的需求也發生了重大變化。硅基氮化鎵的特性和憂勢，剛好能夠滿足5G時代對半導體材料的需求。

硅基氮化鎵可大幅度減小終端應用產品體積，并大幅提高功率轉化效率;開關速度可提高10倍，這在激光雷達這樣的應用上，意味著能探測的距離更遠、精度更高;功率密度提升2倍，可節能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。

從各種市場預測看，硅基氮化鎵在未來幾年將進入一個爆發性的發展期.也就是說，未來5年會迎來硅基氮化鎵產業黃金發展期。怎樣才能在未來的5年黃金發展期內盡快加速硅基氮化鎵產業化進程？加快提高產品在市場的占有率？有兩個因素非常重要，一個是成本，一個是整個產業的生態系統的建設。

為了有效控制成本，要做到以下幾個方面：有效的商業模式、高效的制造工藝，以及一定的生產規模和配套的封裝測試的環節。同時，還要不斷提高產品的良率和推出新產品的頻率，即加快產品迭代升級來不斷降低未來在硅基氮化鎵產業化當中的成本。硅基氮化鎵是一個全新的產業，商業模式的選擇顯得非常重要，需要選擇一個高效率的商業模式，從傳統的角度來看，IDM模式對整個功率半導體來說是最成功有效的模式，同樣對硅基氨化鎵來說仍然是最有效的模式，因為IDM模式可以非常有效地把市場、研發和整個工藝團隊高效率的結合在一起，可以大幅縮短客戶需求到產品量產的時間。

除了成本之外，一個完善的生態系統對硅基氮化鎵產業也非常重要，而建立生態系統，最主要的就是合作，加強上游產業合作，實現材料、設備、配套工藝的定制化，聯手開發硅基氮化鎵產業。

Qorvo應用市場總監黃靖：5G時代化合物半導體將呈爆發性增長

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

以國內為例，今年國內部署的5G基站將達到10萬個，而到2020年，國內將有40～80萬個5G基站的建設需求。5G MIMO天線陣列將達到64個。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。如何運用先進的化合物半導體工藝達到最優的系統指標成為5G MIMO最大程度發揮其性能的關鍵之一。對于運營商來說，如何在5G基站的成本、可靠性、性能等方面找到一個最優方案，也成為他們著重考慮的問題。隨著性能要求的不斷提高，傳統的硅基材料的性能局限性逐步顯現，氮化鎵功率放大器技術開始從特種應用走向了通信市場。

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，對于相同的性能指標，氮化鎵射頻器件的尺寸可以比其他技術小很多，產品尺寸和成本都會大幅下降，這讓天線陣列的整機性能和效率獲得了極大的提升。整個設備的尺寸變小，也更便于塔上安裝和維護。

作為業界領先的射頻方案供應商，Qrovo推出了一系列的氮化鎵產品。如基于0.25微米工藝面向基站應用市場的產品、0.15微米和90納米工藝適合于更高頻率要求的應用場景的產品。此外，Qorvo還根據不同的應用場景，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。

華南理工大學教授李國強：為發展第三代半導體產業打好人才基礎

在各級政府的大力扶持下，我國第三代半導體產業已經打下較好的基礎。但客觀來講，我國第三代半導體在材料指標、器件性能等方面與國外先進水平仍存在一定差距。發展我國自主可控的第三代半導體核心元器件，迫在眉睫。要想發展好中國的第三代半導體產業，一定要有應用牽引。比如，射頻前端是5G移動通信的核心，其核心元器件如濾波器、功放等基本都基于第三代半導體生產。保障我國第三代半導體核心元器件的供應鏈安全，實質上就是為我國5G通信重大戰略實施保駕護航。

在第三代半導體核心元器件的研發與產業化上，我們團隊經過近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體技術路徑，通過材料、裝備、結構、工藝創新，創建了獨有的產業化路線，研發了多種基于硅襯底的高性能第三代半導體芯片。迄今，已獲授權專利200余件。