随着5G的到来，氮化镓能否成为新的“材料宠儿”？

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。