|
來(lái)源：摩爾精英 半導(dǎo)體是當(dāng)今許多技術(shù)的核心。如果沒(méi)有它們，我們賴以生存的許多設(shè)備和應(yīng)用程序?qū)⒉粡?fù)存在。然而，在半導(dǎo)體背后還有一些原子工程材料卻默默無(wú)聞。隨著硅芯片改變了20世紀(jì)下半葉，人們普遍期望化合物半導(dǎo)體將徹底改變21世紀(jì)的技術(shù)。硅我們都知道，它是半導(dǎo)體可靠的主力，但它不能滿足新興技術(shù)對(duì)超高性能以及傳感等能力的要求。而化合物合半導(dǎo)體卻可以實(shí)現(xiàn)比硅快100倍以上的高速處理。 化合物半導(dǎo)體技術(shù)是下一次工業(yè)革命的核心，它也是智能手機(jī)，wifi，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，機(jī)器人技術(shù)和高效LED的發(fā)展不可或缺的一部分。在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，英國(guó)可謂是王者，總部位于紐波特（Newport）的芯片制造商IQE在化合物半導(dǎo)體技術(shù)方面擁有全球55％的市場(chǎng)份額。近日，IQE CEO呼吁，英國(guó)必須建立半導(dǎo)體的“主權(quán)能力”，否則英國(guó)可能會(huì)在化合物半導(dǎo)體的晶圓廠的制造競(jìng)賽中被拋離，從而影響5G等技術(shù)所需的尖端芯片的供應(yīng)。那么英國(guó)是如何在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域取得如此的成就？ 化合物半導(dǎo)體嶄露頭角 據(jù)西南證券的報(bào)告，半導(dǎo)體在過(guò)去主要經(jīng)歷了三代變化，20 世紀(jì)60年代以硅、鍺為代表第一代半導(dǎo)體材料 取代了笨重的電子管，帶來(lái)了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè) IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián) 網(wǎng)的興起，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角。 隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，特別是特殊場(chǎng)合要求半導(dǎo)體能夠在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等環(huán)境下性能依然保持穩(wěn)定，以SiC及GaN為代表的寬禁帶材料為第三代半導(dǎo)體材料關(guān)注度日益提升。預(yù)計(jì)到2020年左右，化合物硅襯底亦開始嶄露頭角，未來(lái)將形成硅半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、 化合物硅襯底三分天下的行業(yè)格局。 
半導(dǎo)體材料發(fā)展歷史（圖源：西南證券） 根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2020 年化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 440 億美元，復(fù)合年增率達(dá)12.9%，增速大幅超過(guò)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。砷化鎵是市場(chǎng)規(guī)模最大的化合物半導(dǎo)體，被稱作是手機(jī)PA的基石，5G 時(shí)代手機(jī)內(nèi)的PA預(yù)計(jì)或多達(dá)16顆之多，5G 通訊將為砷化鎵PA芯片應(yīng)用需求帶來(lái)更大的增長(zhǎng)空間。在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車，電源和光伏（PV）逆變器等應(yīng)用中對(duì)SiC和氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體的需求不斷增加。 威爾士：英國(guó)化合物半導(dǎo)體誕生的王國(guó) 英國(guó)進(jìn)行化合物半導(dǎo)體研究已有20多年，到2025年，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到1250億英鎊，英國(guó)的目標(biāo)是成為化合物半導(dǎo)體的全球力量。 合作是加速創(chuàng)新的有力工具，當(dāng)整個(gè)供應(yīng)鏈“聚集”在同一地點(diǎn)，打破了地理和時(shí)區(qū)造成的障礙時(shí)，好處就更大了。美國(guó)加州的硅谷是一個(gè)典型的例子，說(shuō)明了集群的好處是如何推動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)走向全球平臺(tái)的。而英國(guó)的威爾士也在朝著這個(gè)方向奮進(jìn)。 英國(guó)威爾士化合物半導(dǎo)體集群中涵蓋了從晶圓，裸片，設(shè)備到系統(tǒng)的整個(gè)供應(yīng)鏈，聚集著化合物半導(dǎo)體技術(shù)研究所、化合物半導(dǎo)體中心等專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)，還有先進(jìn)封裝公司Microsemi Corporation，晶圓代工廠IQE PLC和專業(yè)晶圓加工設(shè)備廠商SPTS Technologies等產(chǎn)業(yè)公司。 從卡迪夫大學(xué)開始，化合物半導(dǎo)體技術(shù)研究所就從事復(fù)合半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研究，包括制造研究規(guī)模的晶圓片。它還著重于將復(fù)合半導(dǎo)體集成到硅上，并將其轉(zhuǎn)化為新的器件或子系統(tǒng)。最后，它提供設(shè)備設(shè)計(jì)制造服務(wù)，和接近商業(yè)規(guī)模的概念生產(chǎn)證明。 化合物半導(dǎo)體中心（CSC）是卡迪夫大學(xué)與IQE之間的合資企業(yè)，成立于2015年8月，與研究所緊密相關(guān)。化合物半導(dǎo)體中心的專長(zhǎng)在于開發(fā)復(fù)合半導(dǎo)體材料組合的能力。層數(shù)及其化學(xué)成分決定了最終產(chǎn)品的技術(shù)性能。由于擁有多年的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，該中心提供了理想的外包解決方案，因?yàn)樵O(shè)備所有權(quán)和操作技術(shù)的成本，使這種活動(dòng)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用終端用戶望而卻步。 同時(shí)，威爾士還有未來(lái)復(fù)合半導(dǎo)體制造中心，該中心將與熱衷于探索新技術(shù)帶來(lái)的新型集成功能(如傳感、數(shù)據(jù)處理和通信)的組織合作。2016年12月，未來(lái)復(fù)合半導(dǎo)體制造中心宣布已從英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）獲得1000萬(wàn)英鎊的資金。它將與CSC緊密合作，由卡迪夫大學(xué)與三個(gè)主要的學(xué)術(shù)合作伙伴牽頭：倫敦大學(xué)學(xué)院，曼徹斯特大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)。該中心還有另外26個(gè)最初的公司和組織，其中包括總部位于美國(guó)的光學(xué)元件制造商Oclaro，該公司在英國(guó)擁有開發(fā)和制造設(shè)施。 2016年初，英國(guó)政府還投資了超過(guò)5000萬(wàn)英鎊在威爾士建立了第一個(gè)彈射器中心，專門用于化合物半導(dǎo)體應(yīng)用的開發(fā)。英國(guó)政府承諾在2020-2021年前每年提供1000萬(wàn)英鎊的資金。彈射器的目的是提供研究設(shè)施，以加速化合物半導(dǎo)體的商業(yè)化。它的角色的很大一部分是與英國(guó)的5,000多個(gè)化合物半導(dǎo)體最終用戶進(jìn)行交談，并幫助他們制定路線圖。 CSA 彈射器首席業(yè)務(wù)發(fā)展官Andy Sellars博士說(shuō)：“例如在5G中，我們可以與所有從事RF通信的公司進(jìn)行交流，我們可以問(wèn)'路線圖是什么？您想在2025年和2030年之前實(shí)現(xiàn)什么？”。然后，我們可以回到供應(yīng)鏈中，與學(xué)者交談，并說(shuō)“我們可以開展哪些研究？”。然后，Catapult可以在供應(yīng)鏈的早期階段調(diào)試一些芯片，Catapult策略的一部分實(shí)際上是生產(chǎn)開發(fā)套件。” 在行業(yè)內(nèi)，位于南威爾士的Microsemi設(shè)計(jì)并制造用于高可靠性、惡劣環(huán)境的微型半導(dǎo)體(硅和復(fù)合)模塊。該公司開發(fā)了新穎的模塊封裝、嵌入式組件技術(shù)和晶圓規(guī)模的組裝工藝，以滿足圍繞復(fù)雜小型化解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。 IQE是由前Martlesham的BT實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家和工程師于1988年創(chuàng)立的，是世界上第一家專門外包的化合物半導(dǎo)體晶圓代工公司，其生產(chǎn)的復(fù)合半導(dǎo)體晶片被全球主要芯片公司用于無(wú)線通信、先進(jìn)太陽(yáng)能和高效LED照明等領(lǐng)域。IQE已經(jīng)向卡迪夫大學(xué)的化合物半導(dǎo)體研究所投資了8000萬(wàn)英鎊，并向化合物半導(dǎo)體中心（CSC）投資了4000萬(wàn)英鎊。
圖源：IEQ SPTS Technologies是一家設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)晶圓加工設(shè)備的Orbotech公司，用于全球半導(dǎo)體行業(yè)制造集成電路。它的設(shè)備使制造商能夠在晶圓表面上沉積高度均勻的材料，選擇性地、高效地蝕刻材料，并將晶圓切丁，創(chuàng)造出先進(jìn)的電子器件。典型的應(yīng)用包括MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))，先進(jìn)的封裝，功率半導(dǎo)體和LED。 英國(guó)在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位是建立在對(duì)純理論研究的重大投資基礎(chǔ)上的。首先是當(dāng)?shù)卣闹С郑?017年5月，卡迪夫首府地區(qū)的10個(gè)委員會(huì)宣布為新港的新型復(fù)合半導(dǎo)體制造設(shè)施提供3800萬(wàn)英鎊的資金。在此之前，威爾士政府于2015年11月宣布了1200萬(wàn)英鎊的資助。工廠將歸市政委員會(huì)所有，并將租給私營(yíng)部門。 實(shí)際上，英國(guó)物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）在過(guò)去十年中投入了約7.5億英鎊用于早期研究，并宣布了進(jìn)一步的投資，其中包括向卡迪夫大學(xué)的化合物半導(dǎo)體研究所投資8000萬(wàn)英鎊，向卡迪夫大學(xué)未來(lái)的化合物半導(dǎo)體制造中心投資1000萬(wàn)英鎊，以及卡迪夫大學(xué)與IQE合資成立的Compund半導(dǎo)體中心投資4000萬(wàn)英鎊。 英國(guó)能否保住其化合物半導(dǎo)體的領(lǐng)先地位？ 一些悲觀人士將英國(guó)被稱作是“死亡之谷”的天然家園，好的創(chuàng)意在這里產(chǎn)生，但卻不能在本土開花結(jié)果。電話的發(fā)明家是英國(guó)人亞歷山大·貝爾，電視的發(fā)明者是英國(guó)科學(xué)家約翰·洛吉·貝爾德制造出來(lái)的，1925年10月2日，他制造出了第一臺(tái)能傳輸圖像的機(jī)械式電視機(jī)，這就是電視的雛形。電話和電視只能是英國(guó)一連串創(chuàng)新和發(fā)明中的頭條新聞，而其他國(guó)家更愿意開發(fā)這些創(chuàng)新和發(fā)明。 如今，英國(guó)電信（BT）正從華為回購(gòu)基于其30年前擁有的技術(shù)的產(chǎn)品，BT的做法也產(chǎn)生了“電視電話”似曾相識(shí)的熟悉感。IQE的首席執(zhí)行官尼爾森在今年早些時(shí)候?qū)?guó)會(huì)議員的私人演講中說(shuō)，英國(guó)已經(jīng)放棄了其在芯片和移動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。在某種程度上，憤世嫉俗者的“英國(guó)發(fā)明，美國(guó)開發(fā)，中國(guó)制造，到處銷售”的咒語(yǔ)是正確的。 歐美的政府使用TRLs(技術(shù)準(zhǔn)備水平)來(lái)提供資金。TRLs起源于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局開發(fā)它來(lái)描述他們?cè)诎l(fā)展空間計(jì)劃的位置。TRLs 1-3是真正的概念性研究，所以在空間計(jì)劃的情況下，TRL 1應(yīng)該是肯尼迪總統(tǒng)說(shuō)的，他們將送人到月球，并在十年內(nèi)安全返回；TRLs 4-6將是原型和飛行測(cè)試階段；TRLs 7-9是最后一次飛行前的所有檢查。這些水平正被用于制造業(yè)，尤其是美國(guó)和歐洲政府，以了解它們將資金投向何處。
“死亡之谷”示意圖，來(lái)源：CSC官網(wǎng) 在化合物半導(dǎo)體上，英國(guó)目前還是領(lǐng)先地位，而且威爾士也頗具規(guī)模，所以，表面看來(lái)一切似乎都還好。但是同樣的問(wèn)題還在困擾英國(guó)，困難在于，就價(jià)值鏈而言，這只涉及TRLs 1-3，基本上就是研發(fā)和原型設(shè)計(jì)。4-6級(jí)的成品的商業(yè)化和銷售方面才是真正的回報(bào)，但這部分目前是在海外完成的。 早在1999年首次公開募股之后，IQE就在美國(guó)建立了一家工廠，為新興的手機(jī)行業(yè)生產(chǎn)砷化鎵(GaAs) 化合物半導(dǎo)體晶片。IQE的產(chǎn)品幾乎存在于當(dāng)今世界的每一部智能手機(jī)中。事實(shí)上，該公司的成長(zhǎng)在許多方面已經(jīng)遮蓋了數(shù)字革命的步伐，并在一定程度上助長(zhǎng)了數(shù)字革命的發(fā)展。多年來(lái)，新的IQE工廠逐漸在全球范圍內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)。如今，該公司擁有全球移動(dòng)/射頻市場(chǎng)55% - 60%的份額。 IQE的公關(guān)總監(jiān)Chris Meadows從1988年開始就在該公司工作，他表示，“20世紀(jì)60年代的硅谷聚集了引發(fā)數(shù)字革命的所有技術(shù)。我們有潛力在英國(guó)用復(fù)合半導(dǎo)體做同樣的事情，通過(guò)將該行業(yè)的所有部件結(jié)合在一起，我們不僅占據(jù)了整個(gè)垂直供應(yīng)鏈，而且還占據(jù)了從1到6的整個(gè)水平TRL鏈。”IQE及其在學(xué)術(shù)界的合作伙伴及其在南威爾士的公司集群正朝著TRL 1-3邁進(jìn)。 技術(shù)上已萬(wàn)事俱備，關(guān)鍵就在于應(yīng)用。英國(guó)的短板在TRL 4-6。一個(gè)扎心的事實(shí)可以很好的說(shuō)明：盡管英國(guó)在全球化合物半導(dǎo)體晶片市場(chǎng)中的份額超過(guò)50％，但其在價(jià)值倍增的應(yīng)用程序市場(chǎng)中的份額僅為9％，而且大多數(shù)都不是在英國(guó)制造。 前面提到的SPTS等公司算是英國(guó)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，這些公司生產(chǎn)的一些設(shè)備可將IQE的晶片變成芯片，而IR / Infineon的設(shè)備實(shí)際上使芯片在化合物半導(dǎo)體集群中發(fā)揮著重要作用，但是這離商業(yè)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 歐盟創(chuàng)建了一個(gè)名為共同歐洲利益重要項(xiàng)目(IPCEI)的論壇。它不發(fā)放任何資金，但它將全歐洲的參與者聚集在一起，并允許政府在不違反國(guó)家援助規(guī)定的情況下投資這些重要項(xiàng)目。 IPCEI的復(fù)合半導(dǎo)體項(xiàng)目吸引了20億歐元的競(jìng)標(biāo)。德國(guó)、法國(guó)和意大利各出價(jià)數(shù)億歐元，而在這項(xiàng)技術(shù)上處于世界領(lǐng)先地位的英國(guó)僅為4800萬(wàn)歐元。由于歐洲其他地區(qū)投入數(shù)十億美元升級(jí)其芯片制造能力，英國(guó)有可能被拋在后面。 IQE決心不讓這種事情再次發(fā)生。所以呼吁英國(guó)政府加大對(duì)化合物半導(dǎo)體的投資，然而他們的項(xiàng)目?jī)H耗資5000萬(wàn)歐元，卻未獲得英國(guó)政府的支持。 在當(dāng)下隨著移動(dòng)(RF)通信變得越來(lái)越復(fù)雜和強(qiáng)大，硅芯片達(dá)到了其效用的極限——它們速度不夠快，能耗大，因此變得太熱。更高頻率的3G和4G技術(shù)的出現(xiàn)給了化合物半導(dǎo)體更大的綻放機(jī)會(huì)。IQE已經(jīng)為這場(chǎng)革命做好了準(zhǔn)備，奈何資金捉襟見肘。IQE認(rèn)為，化合物半導(dǎo)體是英國(guó)的又一大豐盛成果，應(yīng)該為一個(gè)輝煌的民族工業(yè)奠定基礎(chǔ)。 結(jié)語(yǔ) 正如硅半導(dǎo)體革命性發(fā)展并推動(dòng)電子工業(yè)發(fā)展一樣，化合物半導(dǎo)體將革新技術(shù)并實(shí)現(xiàn)從5G到機(jī)器人技術(shù)，更高效的可再生能源和自動(dòng)駕駛汽車的廣泛發(fā)展。這是一場(chǎng)悄無(wú)聲息的工業(yè)革命，在這場(chǎng)革命歷程中，各國(guó)都鉚足了勁發(fā)力化合物半導(dǎo)體，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了不少優(yōu)秀的化合物半導(dǎo)體廠商，讓我們共同見證新一代的使能材料所開啟的無(wú)限可能性。 |
