5G時代的到來會對半導體材料掀起怎樣的波瀾？
 

SEMI全球總裁暨首席執行官Ajit Manocha在今年半導體展的“策略材料高峰論壇”致辭視頻中提到， 5G和AI將促使市場都圍繞在“功耗”這件事情上，凸顯了材料將會是半導體領域大發展重點學。
 

在疫情的沖擊下，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相關電子設備的需求大增，也讓云端產業、數據中心的角色更為重要，回歸到運算的需求，尋找到能滿足散熱需求的材料變成了一個重要課題。

不過原本以“硅（Si）”材料為主的半導體，在5G時代遇到了什么問題呢？
 

“因為電子硅在里面跑得不夠快、不能做高頻，也不耐高（電）壓，所以不適合做高功率組件”，臺灣工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅一語道破硅的困境。
 

硅是目前地球上僅次于氧的豐富元素，在過去近60年以來，一直是半導體制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、制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的首選材料。
 

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，這就使得硅本身的材料特性受限，也使得半導體產業需要尋找其他的材料，砷化鎵、氮化鎵、硫化鋅以及碳化硅等都是熱門候選材料。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，還能制作高頻的組件，但缺點是不耐高電壓。
 

“現在有不少手機里面的組件就已經是采用砷化鎵了，”吳志毅說。如蘋果手機所采用的人臉辨識，因采用VCSEL（面射型雷射）技術，使具備可發光、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。
 

臺灣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）將會是繼硅之后的一個重要的應用材料，“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，但是在電子半導體組件仍非主流，不過由于能滿足高功率、高頻的需求，已經成為第三代半導體材料的重要選項。
 

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硅來說，尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小，同時碳化硅的取得成本較高，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硅晶圓上面生長、并且擁有高良率，是業界要突破的技術，如果可以克服并運用現有的基礎設施，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。
 

主要因為車聯網連接的不只是5G，甚至是下一代6G、7G等行動通訊網絡，因此在帶寬、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。至于現在所提到的5G智能手機等相關設備，在他看來都還是很初級的應用。
 

目前主流氮化鎵生產廠商依舊集中在歐洲和日本，主要有德國Siltronic、日本Sumco、比利時的EpiGaN等。我們企業整體上尚未接入第一梯隊，主要有三安光電、聞泰科技、海特高新等，規模和技術水平和國外相比，仍處于初級階段，材料制造設備也依賴于進口，整個氮化硅的產業鏈尚未形成等。只有解決這些問題，方可提高我國半導體材料整體水平。