5G帶動半導體新戰場,氮化鎵能當下一個材料寵兒嗎?要先克服兩大挑戰

2020.09.30 by
簡永昌
5G帶動半導體新戰場,氮化鎵能當下一個材料寵兒嗎?要先克服兩大挑戰
攝影師:Jeremy Waterhouse,連結:Pexels.jpg
半導體除受到摩爾定律的限制外,5G時代下也催生了材料的進化。半導體業者都指出,運算力的增加,將對矽以外的材料產生需求,究竟誰是新寵兒?應用場景為何?

5G時代的到來會對半導體材料掀起怎樣的波瀾?SEMI全球總裁暨執行長Ajit Manocha在今年半導體展的「策略材料高峰論壇」致詞影片中提到,在5G、AI的趨勢下,促使市場都圍繞在「功耗」這件事情上,凸顯了材料的發展將會是接下來半導體的顯學。

尤其在疫情的衝擊下,人類改變了原有的生活作息,居家辦公、遠距教學所帶動的不只是對於相關電子設備的需求大增,也讓雲端產業、資料中心的角色更為重要,回歸到運算的需求,尋找能滿足散熱的材料變成當前課題。

5G來臨,「矽」遇到了什麼問題?

不過原本以「矽(Si)」材料為主的半導體,為什麼遇到了5G時代的到來就必須要轉彎?

「因為矽在電子裡面跑得不夠快、不能做高頻,也不耐高(電)壓,所以不適合做高功率元件,」工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅一語道破矽的困境。

吳志毅表示,矽作為目前半導體主要的材料,面對5G的應用也有其物理特性所無法滿足的狀況,但是長遠來看、它依舊是重要的材料,不至於被取代。
工研院提供

矽是目前地球上僅次於氧的豐富元素,在過去近60年以來,一直是半導體製作上不可或缺的材料,除了因為容易取得的優勢外,它的機械性夠強、製作上也有不易破的特點,而且基礎建設也相對完整,因此一直是近年來半導體在製作上選擇的材料。

但是5G的時代下,應用場景不少是聚焦在高頻、高壓的應用上,這就使得矽本身的材料特性被受限,也使得半導體產業需要尋找其他的材料,包括砷化鎵、氮化鎵、硫化鋅以及碳化矽等都是熱門人選。吳志毅也指出,目前第二代半導體材料以砷化鎵為主,因為技術上相對純熟,還能製作高頻的元件,但缺點是不耐高電壓。

目前臉部解鎖因為用到VCSEL(面射型雷射)技術,讓具備可發光、可吸收光等物理特性的砷化鎵成了重要的材料。
Shutterstock

「現在有不少手機裡面的元件就已經是採用砷化鎵了,」吳志毅說。像是蘋果手機所採用的人臉辨識,因採用VCSEL(面射型雷射)技術,讓具備可發光、可吸收光等物理特性的砷化鎵成了重要的材料。不過市場仍是需要尋找一個能同時滿足「高頻率」、「高功率」的材料,氮化鎵(GaN)變成了熱門選擇。

滿足高頻、高功率,氮化鎵成重要人選

交通大學副校長張翼在「策略材料高峰論壇」演講時也分享到,半導體的新材料上,氮化鎵(GaN)將會是繼矽之後一個重要的材料應用,「因為他用途很廣、技術也相對純熟,」他說。

吳志毅對此補充,目前氮化鎵在LED的應用上已相當廣泛,但是介入電子半導體元件仍非主流,不過狹著能滿足高功率、高頻的需求,已經成為第三代半導體材料的重要選項。

張翼認為,氮化鎵因為技術純熟也能耐得住高溫,在未來新材料的應用上將大有可為,尤其他指出車聯網因為串接的是6G、7G等下個世代的行動通訊網路,會是最佳的應用場景。
簡永昌攝影

但目前氮化鎵有2個技術上的難題,其一是以目前生長的基板碳化矽來說,尺寸上尚無法突破6吋晶圓的大小,同時碳化矽的取得成本較高,導致目前既無法大量生產、價格也壓不下來;第二個則是要如何讓氮化鎵能在矽晶圓上面生長、並且擁有高良率,是業界要突破的技術,如果可以克服並運用原有的基礎建設,氮化鎵未來的價格跟產量就能有所改善。

其實氮化鎵能應用的領域不少,包括雷達預警、5G通訊、消費電子、車聯網等等,但張翼認為車聯網將會是氮化鎵等新材料應用場景的重要希望。

由於車聯網串接的是5G、6G等行動通訊網路,相比智慧型手機而言有更多的機會需要用到高頻、高功率的元件,也因此是氮化鎵未來應用的重要場景。
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主要因為車聯網連動的不只是5G,甚至是下一代6G、7G等行動通訊網路,因此在頻寬、速度的需求下,氮化鎵因為能夠耐高溫(約200度),成了高速聯網系統的最佳應用材料。至於現在所提到的5G智慧型手機等相關設備,在他看來都還是很初階的討論。

建構在原有的基礎上,台灣要搶下材料的話語權

至於迎接這個未來半導體重要的核心—材料,台灣將面臨到的挑戰究竟是什麼?Ajit Manocha指出,台灣過去10年都是全球半導體材料的消費者,2019年金額更達到113億美元(約合3390億新台幣),結合台灣在半導體產業鏈上的製造、設計等強項,材料在下個世代要如何發展,台灣的半導體產業不得不重視。

張翼也認為,台灣已經建構在相當良好的半導體基礎建設之上,其實只要運用原有架構就能繼續發展,只是相對應的知識(Know How)要有,相關的投資也要對應到正確的領域上,才能把效果放大、加速半導體新材料的應用發展。

責任編輯:錢玉紘

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