英国的化合物半导体担忧

半导体是当今许多技术的核心。如果没有它们,我们赖以生存的许多设备和应用程序将不复存在。然而,在半导体背后还有一些原子工程材料却默默无闻。随着硅芯片改变了20世纪下半叶,人们普遍期望化合物半导体将彻底改变21世纪的技术。硅我们都知道,它是半导体可靠的主力,但它不能满足新兴技术对超高性能以及传感等能力的要求。而化合物合半导体却可以实现比硅快100倍以上的高速处理。
化合物半导体技术是下一次工业革命的核心,它也是智能手机,wifi,卫星通信系统,机器人技术和高效LED的发展不可或缺的一部分。在化合物半导体领域,英国可谓是王者,总部位于纽波特(Newport)的芯片制造商IQE在化合物半导体技术方面拥有全球55%的市场份额。近日,IQE CEO呼吁,英国必须建立半导体的“主权能力”,否则英国可能会在化合物半导体的晶圆厂的制造竞赛中被抛离,从而影响5G等技术所需的尖端芯片的供应。那么英国是如何在化合物半导体领域取得如此的成就?

化合物半导体崭露头角

据西南证券的报告,半导体在过去主要经历了三代变化,20 世纪60年代以硅、锗为代表第一代半导体材料 取代了笨重的电子管,带来了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个 IT 产业的飞跃。20世纪90年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联 网的兴起,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

随着半导体器件应用领域的不断扩大,特别是特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下性能依然保持稳定,以SiC及GaN为代表的宽禁带材料为第三代半导体材料关注度日益提升。预计到2020年左右,化合物硅衬底亦开始崭露头角,未来将形成硅半导体、化合物半导体、 化合物硅衬底三分天下的行业格局。

半导体材料发展历史(图源:西南证券)

根据中国产业信息网数据,2020 年化合物半导体的市场规模将达 440 亿美元,复合年增率达12.9%,增速大幅超过整个半导体产业。砷化镓是市场规模最大的化合物半导体,被称作是手机PA的基石,5G 时代手机内的PA预计或多达16颗之多,5G 通讯将为砷化镓PA芯片应用需求带来更大的增长空间。在混合动力和电动汽车,电源和光伏(PV)逆变器等应用中对SiC和氮化镓(GaN)功率半导体的需求不断增加。

威尔士:英国化合物半导体诞生的王国

英国进行化合物半导体研究已有20多年,到2025年,市场规模预计将增长到1250亿英镑,英国的目标是成为化合物半导体的全球力量。
合作是加速创新的有力工具,当整个供应链“聚集”在同一地点,打破了地理和时区造成的障碍时,好处就更大了。美国加州的硅谷是一个典型的例子,说明了集群的好处是如何推动一个产业走向全球平台的。而英国的威尔士也在朝着这个方向奋进。

英国威尔士化合物半导体集群中涵盖了从晶圆,裸片,设备到系统的整个供应链,聚集着化合物半导体技术研究所、化合物半导体中心等专业的研究机构,还有先进封装公司Microsemi Corporation,晶圆代工厂IQE PLC和专业晶圆加工设备厂商SPTS Technologies等产业公司。

从卡迪夫大学开始,化合物半导体技术研究所就从事复合半导体材料的基础研究,包括制造研究规模的晶圆片。它还着重于将复合半导体集成到硅上,并将其转化为新的器件或子系统。最后,它提供设备设计制造服务,和接近商业规模的概念生产证明。

化合物半导体中心(CSC)是卡迪夫大学与IQE之间的合资企业,成立于2015年8月,与研究所紧密相关。化合物半导体中心的专长在于开发复合半导体材料组合的能力。层数及其化学成分决定了最终产品的技术性能。由于拥有多年的工业经验,该中心提供了理想的外包解决方案,因为设备所有权和操作技术的成本,使这种活动对大多数应用终端用户望而却步。

同时,威尔士还有未来复合半导体制造中心,该中心将与热衷于探索新技术带来的新型集成功能(如传感、数据处理和通信)的组织合作。2016年12月,未来复合半导体制造中心宣布已从英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)获得1000万英镑的资金。它将与CSC紧密合作,由卡迪夫大学与三个主要的学术合作伙伴牵头:伦敦大学学院,曼彻斯特大学和谢菲尔德大学。该中心还有另外26个最初的公司和组织,其中包括总部位于美国的光学元件制造商Oclaro,该公司在英国拥有开发和制造设施。
2016年初,英国政府还投资了超过5000万英镑在威尔士建立了第一个弹射器中心,专门用于化合物半导体应用的开发。英国政府承诺在2020-2021年前每年提供1000万英镑的资金。弹射器的目的是提供研究设施,以加速化合物半导体的商业化。它的角色的很大一部分是与英国的5,000多个化合物半导体最终用户进行交谈,并帮助他们制定路线图。
CSA 弹射器首席业务发展官Andy Sellars博士说:“例如在5G中,我们可以与所有从事RF通信的公司进行交流,我们可以问'路线图是什么?您想在2025年和2030年之前实现什么?”。然后,我们可以回到供应链中,与学者交谈,并说“我们可以开展哪些研究?”。然后,Catapult可以在供应链的早期阶段调试一些芯片,Catapult策略的一部分实际上是生产开发套件。”
在行业内,位于南威尔士的Microsemi设计并制造用于高可靠性、恶劣环境的微型半导体(硅和复合)模块。该公司开发了新颖的模块封装、嵌入式组件技术和晶圆规模的组装工艺,以满足围绕复杂小型化解决方案不断增长的需求。
IQE是由前Martlesham的BT实验室的物理学家和工程师于1988年创立的,是世界上第一家专门外包的化合物半导体晶圆代工公司,其生产的复合半导体晶片被全球主要芯片公司用于无线通信、先进太阳能和高效LED照明等领域。IQE已经向卡迪夫大学的化合物半导体研究所投资了8000万英镑,并向化合物半导体中心(CSC)投资了4000万英镑。

图源:IEQ
SPTS Technologies是一家设计和制造先进晶圆加工设备的Orbotech公司,用于全球半导体行业制造集成电路。它的设备使制造商能够在晶圆表面上沉积高度均匀的材料,选择性地、高效地蚀刻材料,并将晶圆切丁,创造出先进的电子器件。典型的应用包括MEMS(微电子机械系统),先进的封装,功率半导体和LED。

英国在化合物半导体领域的领导地位是建立在对纯理论研究的重大投资基础上的。首先是当地政府的支持:2017年5月,卡迪夫首府地区的10个委员会宣布为新港的新型复合半导体制造设施提供3800万英镑的资金。在此之前,威尔士政府于2015年11月宣布了1200万英镑的资助。工厂将归市政委员会所有,并将租给私营部门。

实际上,英国物理科学研究委员会(EPSRC)在过去十年中投入了约7.5亿英镑用于早期研究,并宣布了进一步的投资,其中包括向卡迪夫大学的化合物半导体研究所投资8000万英镑,向卡迪夫大学未来的化合物半导体制造中心投资1000万英镑,以及卡迪夫大学与IQE合资成立的Compund半导体中心投资4000万英镑。

英国能否保住其化合物半导体的领先地位?
一些悲观人士将英国被称作是“死亡之谷”的天然家园,好的创意在这里产生,但却不能在本土开花结果。电话的发明家是英国人亚历山大·贝尔,电视的发明者是英国科学家约翰·洛吉·贝尔德制造出来的,1925年10月2日,他制造出了第一台能传输图像的机械式电视机,这就是电视的雏形。电话和电视只能是英国一连串创新和发明中的头条新闻,而其他国家更愿意开发这些创新和发明。

如今,英国电信(BT)正从华为回购基于其30年前拥有的技术的产品,BT的做法也产生了“电视电话”似曾相识的熟悉感。IQE的首席执行官尼尔森在今年早些时候对国会议员的私人演讲中说,英国已经放弃了其在芯片和移动技术领域的领导地位。在某种程度上,愤世嫉俗者的“英国发明,美国开发,中国制造,到处销售”的咒语是正确的。

欧美的政府使用TRLs(技术准备水平)来提供资金。TRLs起源于20世纪60年代,当时美国宇航局开发它来描述他们在发展空间计划的位置。TRLs 1-3是真正的概念性研究,所以在空间计划的情况下,TRL 1应该是肯尼迪总统说的,他们将送人到月球,并在十年内安全返回;TRLs 4-6将是原型和飞行测试阶段;TRLs 7-9是最后一次飞行前的所有检查。这些水平正被用于制造业,尤其是美国和欧洲政府,以了解它们将资金投向何处。




“死亡之谷”示意图,来源:CSC官网
在化合物半导体上,英国目前还是领先地位,而且威尔士也颇具规模,所以,表面看来一切似乎都还好。但是同样的问题还在困扰英国,困难在于,就价值链而言,这只涉及TRLs 1-3,基本上就是研发和原型设计。4-6级的成品的商业化和销售方面才是真正的回报,但这部分目前是在海外完成的。

早在1999年首次公开募股之后,IQE就在美国建立了一家工厂,为新兴的手机行业生产砷化镓(GaAs) 化合物半导体晶片。IQE的产品几乎存在于当今世界的每一部智能手机中。事实上,该公司的成长在许多方面已经遮盖了数字革命的步伐,并在一定程度上助长了数字革命的发展。多年来,新的IQE工厂逐渐在全球范围内陆续投产。如今,该公司拥有全球移动/射频市场55% - 60%的份额。

IQE的公关总监Chris Meadows从1988年开始就在该公司工作,他表示,“20世纪60年代的硅谷聚集了引发数字革命的所有技术。我们有潜力在英国用复合半导体做同样的事情,通过将该行业的所有部件结合在一起,我们不仅占据了整个垂直供应链,而且还占据了从1到6的整个水平TRL链。”IQE及其在学术界的合作伙伴及其在南威尔士的公司集群正朝着TRL 1-3迈进。

技术上已万事俱备,关键就在于应用。英国的短板在TRL 4-6。一个扎心的事实可以很好的说明:尽管英国在全球化合物半导体晶片市场中的份额超过50%,但其在价值倍增的应用程序市场中的份额仅为9%,而且大多数都不是在英国制造。

前面提到的SPTS等公司算是英国的一个新兴产业,这些公司生产的一些设备可将IQE的晶片变成芯片,而IR / Infineon的设备实际上使芯片在化合物半导体集群中发挥着重要作用,但是这离商业化还远远不够。

欧盟创建了一个名为共同欧洲利益重要项目(IPCEI)的论坛。它不发放任何资金,但它将全欧洲的参与者聚集在一起,并允许政府在不违反国家援助规定的情况下投资这些重要项目。

IPCEI的复合半导体项目吸引了20亿欧元的竞标。德国、法国和意大利各出价数亿欧元,而在这项技术上处于世界领先地位的英国仅为4800万欧元。由于欧洲其他地区投入数十亿美元升级其芯片制造能力,英国有可能被抛在后面。

IQE决心不让这种事情再次发生。所以呼吁英国政府加大对化合物半导体的投资,然而他们的项目仅耗资5000万欧元,却未获得英国政府的支持。

在当下随着移动(RF)通信变得越来越复杂和强大,硅芯片达到了其效用的极限——它们速度不够快,能耗大,因此变得太热。更高频率的3G和4G技术的出现给了化合物半导体更大的绽放机会。IQE已经为这场革命做好了准备,奈何资金捉襟见肘。IQE认为,化合物半导体是英国的又一大丰盛成果,应该为一个辉煌的民族工业奠定基础。

结语
正如硅半导体革命性发展并推动电子工业发展一样,化合物半导体将革新技术并实现从5G到机器人技术,更高效的可再生能源和自动驾驶汽车的广泛发展。这是一场悄无声息的工业革命,在这场革命历程中,各国都铆足了劲发力化合物半导体,国内也涌现了不少优秀的化合物半导体厂商,让我们共同见证新一代的使能材料所开启的无限可能性。

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