英國的化合物半導體擔憂

半導體是當今許多技術的核心。如果沒有它們,我們賴以生存的許多設備和應用程序將不復存在。然而,在半導體背後還有一些原子工程材料卻默默無聞。隨着硅芯片改變了20世紀下半葉,人們普遍期望化合物半導體將徹底改變21世紀的技術。硅我們都知道,它是半導體可靠的主力,但它不能滿足新興技術對超高性能以及傳感等能力的要求。而化合物合半導體卻可以實現比硅快100倍以上的高速處理。

化合物半導體技術是下一次工業革命的核心,它也是智能手機,wifi,衛星通信系統,機器人技術和高效LED的發展不可或缺的一部分。在化合物半導體領域,英國可謂是王者,總部位於紐波特(Newport)的芯片製造商IQE在化合物半導體技術方面擁有全球55%的市場份額。近日,IQE CEO呼籲,英國必須建立半導體的“主權能力”,否則英國可能會在化合物半導體的晶圓廠的製造競賽中被拋離,從而影響5G等技術所需的尖端芯片的供應。那麼英國是如何在化合物半導體領域取得如此的成就?

化合物半導體嶄露頭角

據西南證券的報告,半導體在過去主要經歷了三代變化,20 世紀60年代以硅、鍺爲代表第一代半導體材料 取代了笨重的電子管,帶來了以集成電路爲核心的微電子工業的發展和整個 IT 產業的飛躍。20世紀90年代以來,隨着移動通信的飛速發展、以光纖通信爲基礎的信息高速公路和互聯 網的興起,以砷化鎵、磷化銦爲代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

隨着半導體器件應用領域的不斷擴大,特別是特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下性能依然保持穩定,以SiC及GaN爲代表的寬禁帶材料爲第三代半導體材料關注度日益提升。預計到2020年左右,化合物硅襯底亦開始嶄露頭角,未來將形成硅半導體、化合物半導體、 化合物硅襯底三分天下的行業格局。


半導體材料發展歷史(圖源:西南證券)

根據中國產業信息網數據,2020 年化合物半導體的市場規模將達 440 億美元,複合年增率達12.9%,增速大幅超過整個半導體產業。砷化鎵是市場規模最大的化合物半導體,被稱作是手機PA的基石,5G 時代手機內的PA預計或多達16顆之多,5G 通訊將爲砷化鎵PA芯片應用需求帶來更大的增長空間。在混合動力和電動汽車,電源和光伏(PV)逆變器等應用中對SiC和氮化鎵(GaN)功率半導體的需求不斷增加。

威爾士:英國化合物半導體誕生的王國

英國進行化合物半導體研究已有20多年,到2025年,市場規模預計將增長到1250億英鎊,英國的目標是成爲化合物半導體的全球力量。

合作是加速創新的有力工具,當整個供應鏈“聚集”在同一地點,打破了地理和時區造成的障礙時,好處就更大了。美國加州的硅谷是一個典型的例子,說明了集羣的好處是如何推動一個產業走向全球平臺的。而英國的威爾士也在朝着這個方向奮進。

英國威爾士化合物半導體集羣中涵蓋了從晶圓,裸片,設備到系統的整個供應鏈,聚集着化合物半導體技術研究所、化合物半導體中心等專業的研究機構,還有先進封裝公司Microsemi Corporation,晶圓代工廠IQE PLC和專業晶圓加工設備廠商SPTS Technologies等產業公司。

從卡迪夫大學開始,化合物半導體技術研究所就從事複合半導體材料的基礎研究,包括製造研究規模的晶圓片。它還着重於將複合半導體集成到硅上,並將其轉化爲新的器件或子系統。最後,它提供設備設計製造服務,和接近商業規模的概念生產證明。

化合物半導體中心(CSC)是卡迪夫大學與IQE之間的合資企業,成立於2015年8月,與研究所緊密相關。化合物半導體中心的專長在於開發複合半導體材料組合的能力。層數及其化學成分決定了最終產品的技術性能。由於擁有多年的工業經驗,該中心提供了理想的外包解決方案,因爲設備所有權和操作技術的成本,使這種活動對大多數應用終端用戶望而卻步。

同時,威爾士還有未來複合半導體制造中心,該中心將與熱衷於探索新技術帶來的新型集成功能(如傳感、數據處理和通信)的組織合作。2016年12月,未來複合半導體制造中心宣佈已從英國工程和物理科學研究委員會(EPSRC)獲得1000萬英鎊的資金。它將與CSC緊密合作,由卡迪夫大學與三個主要的學術合作伙伴牽頭:倫敦大學學院,曼徹斯特大學和謝菲爾德大學。該中心還有另外26個最初的公司和組織,其中包括總部位於美國的光學元件製造商Oclaro,該公司在英國擁有開發和製造設施。

2016年初,英國政府還投資了超過5000萬英鎊在威爾士建立了第一個彈射器中心,專門用於化合物半導體應用的開發。英國政府承諾在2020-2021年前每年提供1000萬英鎊的資金。彈射器的目的是提供研究設施,以加速化合物半導體的商業化。它的角色的很大一部分是與英國的5,000多個化合物半導體最終用戶進行交談,並幫助他們制定路線圖。

CSA 彈射器首席業務發展官Andy Sellars博士說:“例如在5G中,我們可以與所有從事RF通信的公司進行交流,我們可以問'路線圖是什麼?您想在2025年和2030年之前實現什麼?”。然後,我們可以回到供應鏈中,與學者交談,並說“我們可以開展哪些研究?”。然後,Catapult可以在供應鏈的早期階段調試一些芯片,Catapult策略的一部分實際上是生產開發套件。”

在行業內,位於南威爾士的Microsemi設計並製造用於高可靠性、惡劣環境的微型半導體(硅和複合)模塊。該公司開發了新穎的模塊封裝、嵌入式組件技術和晶圓規模的組裝工藝,以滿足圍繞複雜小型化解決方案不斷增長的需求。

IQE是由前Martlesham的BT實驗室的物理學家和工程師於1988年創立的,是世界上第一家專門外包的化合物半導體晶圓代工公司,其生產的複合半導體晶片被全球主要芯片公司用於無線通信、先進太陽能和高效LED照明等領域。IQE已經向卡迪夫大學的化合物半導體研究所投資了8000萬英鎊,並向化合物半導體中心(CSC)投資了4000萬英鎊。


圖源:IEQ

SPTS Technologies是一家設計和製造先進晶圓加工設備的Orbotech公司,用於全球半導體行業製造集成電路。它的設備使製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,並將晶圓切丁,創造出先進的電子器件。典型的應用包括MEMS(微電子機械系統),先進的封裝,功率半導體和LED。

英國在化合物半導體領域的領導地位是建立在對純理論研究的重大投資基礎上的。首先是當地政府的支持:2017年5月,卡迪夫首府地區的10個委員會宣佈爲新港的新型複合半導體制造設施提供3800萬英鎊的資金。在此之前,威爾士政府於2015年11月宣佈了1200萬英鎊的資助。工廠將歸市政委員會所有,並將租給私營部門。

實際上,英國物理科學研究委員會(EPSRC)在過去十年中投入了約7.5億英鎊用於早期研究,並宣佈了進一步的投資,其中包括向卡迪夫大學的化合物半導體研究所投資8000萬英鎊,向卡迪夫大學未來的化合物半導體制造中心投資1000萬英鎊,以及卡迪夫大學與IQE合資成立的Compund半導體中心投資4000萬英鎊。

英國能否保住其化合物半導體的領先地位?

一些悲觀人士將英國被稱作是“死亡之谷”的天然家園,好的創意在這裏產生,但卻不能在本土開花結果。電話的發明家是英國人亞歷山大·貝爾,電視的發明者是英國科學家約翰·洛吉·貝爾德製造出來的,1925年10月2日,他製造出了第一臺能傳輸圖像的機械式電視機,這就是電視的雛形。電話和電視只能是英國一連串創新和發明中的頭條新聞,而其他國家更願意開發這些創新和發明。

如今,英國電信(BT)正從華爲回購基於其30年前擁有的技術的產品,BT的做法也產生了“電視電話”似曾相識的熟悉感。IQE的首席執行官尼爾森在今年早些時候對國會議員的私人演講中說,英國已經放棄了其在芯片和移動技術領域的領導地位。在某種程度上,憤世嫉俗者的“英國發明,美國開發,中國製造,到處銷售”的咒語是正確的。

歐美的政府使用TRLs(技術準備水平)來提供資金。TRLs起源於20世紀60年代,當時美國宇航局開發它來描述他們在發展空間計劃的位置。TRLs 1-3是真正的概念性研究,所以在空間計劃的情況下,TRL 1應該是肯尼迪總統說的,他們將送人到月球,並在十年內安全返回;TRLs 4-6將是原型和飛行測試階段;TRLs 7-9是最後一次飛行前的所有檢查。這些水平正被用於製造業,尤其是美國和歐洲政府,以瞭解它們將資金投向何處。


“死亡之谷”示意圖,來源:CSC官網

在化合物半導體上,英國目前還是領先地位,而且威爾士也頗具規模,所以,表面看來一切似乎都還好。但是同樣的問題還在困擾英國,困難在於,就價值鏈而言,這隻涉及TRLs 1-3,基本上就是研發和原型設計。4-6級的成品的商業化和銷售方面纔是真正的回報,但這部分目前是在海外完成的。

早在1999年首次公開募股之後,IQE就在美國建立了一家工廠,爲新興的手機行業生產砷化鎵(GaAs) 化合物半導體晶片。IQE的產品幾乎存在於當今世界的每一部智能手機中。事實上,該公司的成長在許多方面已經遮蓋了數字革命的步伐,並在一定程度上助長了數字革命的發展。多年來,新的IQE工廠逐漸在全球範圍內陸續投產。如今,該公司擁有全球移動/射頻市場55% - 60%的份額。

IQE的公關總監Chris Meadows從1988年開始就在該公司工作,他表示,“20世紀60年代的硅谷聚集了引發數字革命的所有技術。我們有潛力在英國用複合半導體做同樣的事情,通過將該行業的所有部件結合在一起,我們不僅佔據了整個垂直供應鏈,而且還佔據了從1到6的整個水平TRL鏈。”IQE及其在學術界的合作伙伴及其在南威爾士的公司集羣正朝着TRL 1-3邁進。

技術上已萬事俱備,關鍵就在於應用。英國的短板在TRL 4-6。一個扎心的事實可以很好的說明:儘管英國在全球化合物半導體晶片市場中的份額超過50%,但其在價值倍增的應用程序市場中的份額僅爲9%,而且大多數都不是在英國製造。

前面提到的SPTS等公司算是英國的一個新興產業,這些公司生產的一些設備可將IQE的晶片變成芯片,而IR / Infineon的設備實際上使芯片在化合物半導體集羣中發揮着重要作用,但是這離商業化還遠遠不夠。

歐盟創建了一個名爲共同歐洲利益重要項目(IPCEI)的論壇。它不發放任何資金,但它將全歐洲的參與者聚集在一起,並允許政府在不違反國家援助規定的情況下投資這些重要項目。

IPCEI的複合半導體項目吸引了20億歐元的競標。德國、法國和意大利各出價數億歐元,而在這項技術上處於世界領先地位的英國僅爲4800萬歐元。由於歐洲其他地區投入數十億美元升級其芯片製造能力,英國有可能被拋在後面。

IQE決心不讓這種事情再次發生。所以呼籲英國政府加大對化合物半導體的投資,然而他們的項目僅耗資5000萬歐元,卻未獲得英國政府的支持。

在當下隨着移動(RF)通信變得越來越複雜和強大,硅芯片達到了其效用的極限——它們速度不夠快,能耗大,因此變得太熱。更高頻率的3G和4G技術的出現給了化合物半導體更大的綻放機會。IQE已經爲這場革命做好了準備,奈何資金捉襟見肘。IQE認爲,化合物半導體是英國的又一大豐盛成果,應該爲一個輝煌的民族工業奠定基礎。

結語

正如硅半導體革命性發展並推動電子工業發展一樣,化合物半導體將革新技術並實現從5G到機器人技術,更高效的可再生能源和自動駕駛汽車的廣泛發展。這是一場悄無聲息的工業革命,在這場革命歷程中,各國都鉚足了勁發力化合物半導體,國內也涌現了不少優秀的化合物半導體廠商,讓我們共同見證新一代的使能材料所開啓的無限可能性。

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