化合物半导体：英国能否在推动我们未来发展的技术领域保持全球主导地位？
技术进步将如何改变我们的未来：5G 超高速通信、自动驾驶汽车、人工智能和令人眼花缭乱的速度的数字生活，这让我们不断感到欣喜若狂。我们很少停下来问什么会推动这种技术加速。答案是化合物半导体。英国是这项重要技术的全球领导者。但它能一直这样吗？ Nick Peters 报道。每部智能手机内部至少有几个化合物半导体 (CS)。尽管基于硅的芯片曾经（现在仍然是）很棒并改变了生活，但它们无法完成未来甚至今天的需求所需的所有繁重工作。手机中有少量 CS 芯片的原因他们是否有能力管理 3G 和 4G 通信？但这只是它们多功能性的开始——它们的功能至少是硅同类产品的 100 倍。他们可以 抵抗会熔化硅的热量，它们是光敏的，它们对磁敏感，它们发光，需要非常低的功率，产生非常高的频率信号并且具有极快的连接性。当然，它们的制造要复杂得多，成本也高得多。
英国如何在化合物半导体领域占据全球领先地位？
答案是传统的英国独创性、学术才华和开明的政府战略的良性结合，特别是在威尔士，这有助于在纽波特地区创建一个充满活力的 CS 公司集群。在几个月的时间里，该集群将通过在纽波特开设新的化合物半导体应用弹射器而得到加强。 Catapults 网络的这一新增功能对于已经处于该技术前沿的公司以及那些希望获得该技术的公司来说可能是个好消息o 加入他们，但这也证明该行业存在令人不安的缺陷，即围绕 CS 的供应链薄弱。这意味着我们有可能无法利用我们自己不可思议的资产，除非 Catapult 能够实现其既定的目标基于 CS 设备打造成熟的英国供应链。本文首发于 The Manufacturer 杂志的 5 月号。要订阅，请单击此处
早期
要了解英国 CS 行业及其今天的位置，您必须研究一家鲜为人知但非常出色的公司 IQE plc。 IQE 总部位于加的夫，现在在纽波特开设了一家新工厂（新 Catapult 将设在同一地点），是化合物半导体技术的全球领导者。它于 1988 年由来自 Martlesham 前 BT 实验室的物理学家和工程师创立，当时正在开发用于光纤传输的激光器。的核心这些激光器是一种化合物半导体，而 Drew Nelson 博士和他的团队是 EPI（后来的 IQE）的创始人，他们是制造化合物半导体的金属有机化学气相沉积技术的专家。（这是一个经久不衰的讽刺，可能是悲剧, 关于这个让 BT 为自己开发 CS 技术的故事，他们今天可以在光纤技术领域占据世界领先的地位，而不是失去焦点。相反，IQE 生产的 CS 最终会进入中国制造的设备，今天你可以在任何 BT Openreach 面包车的后面找到。）今天 IQE 的真正启动板是手机的兴起。随着移动 (RF) 通信变得更加复杂和强大，硅芯片达到了它们的效用极限——它们不够快、耗电，因此变得太热。更高频率的到来3G 和 4G 技术为 CS 提供了他们需要的市场开放。它们比硅快 100 倍，但功耗更低，从而为消费者带来更长的电池寿命。IQE 已准备好迎接革命，在 1999 年首次公开募股后，它建立了一个美国工厂为新兴的手机行业生产砷化镓 (GaAs) CS 晶圆。 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，公司的发展在很多方面都反映了——实际上是推动了——数字革命的发展，多年来，新的 IQE 工厂在全球范围内逐渐投产。如今，该公司占有 55% - 60% 的份额移动/射频全球市场。IQE 并没有忽视其最初的核心技术，该技术服务于光子学领域。从最初专注于光纤激光器，他们开始为 dom 生产 CS静电激光，如 CD、DVD、蓝光播放器和脱毛激光产品。甚至你的无线鼠标也可能有一个 IQE CS，即 VCSEL（垂直腔面发射激光器）。今天，你还会在手机屏幕上发现这些光子学 CS，使用接近传感器关闭屏幕您将手机放在耳边，进行 3D 识别，越来越多地使用 LIDAR，这是一种红外 3D 传感技术，可以使自动驾驶汽车近乎实时地监控彼此及其环境。这是成功的开端故事，这应该为生产基于 CS 的一系列产品的辉煌的民族工业奠定基础。但是，正如我们所知，也许由于 BT 故事所产生的那种令人厌倦的熟悉，事情并不总是按照我们希望的方式发展。化合物半导体是如何制造的？
过程建立一个CS从直径为 150 毫米的砷化镓晶圆或直径为 100 毫米的磷化铟晶圆开始，两者均为 1 毫米厚，均在密封环境中生长。 （相比之下，硅晶圆的直径为 300 毫米。）然后将每个晶圆放置在一个正压密封室内，在此过程中发生称为“外延”的过程。这涉及在仅两到三个原子深的原子级化合物的衬底层上放置。层数取决于芯片制造商的需求，但通常在 100 层左右。每台机器的成本为 4 至 500 万英镑。 IQE 在世界各地的设施中拥有 100 个这样的设备。新的纽波特工厂将拥有 100 个，仅靠自己。可以测试晶圆的机器尚未生产。它由技术精湛的技术人员完成，他们使用显微镜和激光的组合来确保原子深度层已添加到精确的客户要求的公式中。晶圆非常脆弱，因此 IQE 的下一阶段发展是开发一种在更大、更强的硅晶圆上层叠化合物半导体材料的方法，以提供巨大的规模经济。挑战在于在硅和 CS 层之间创建一个不可渗透的屏障。重访“死亡之谷”
如前所述，IQE 生产 CS 晶圆，这些晶圆被制成芯片，然后放置在模块中，最终在中国和亚洲其他地方制造的智能手机中，最终以驱动它们的技术价值的数倍卖回给我们。 （如果你想知道，CS 只驱动手机中更先进的 RF 和传感器技术。其余大部分技术，如视频和音频，仍然是基于硅的技术。）为什么我们不能f 利用我们引领世界的技术？一个愤世嫉俗的人可能会说它一直都是这样——英国是“死亡之谷”的天然家园，好想法在那里死去，在本土没有商业化。问问英国电信，它今天从华为等中国公司回购基于他们 30 年前拥有的技术。愤世嫉俗者的口头禅“英国发明，美国开发，中国制造，销往各地”在某种程度上是正确的。电话和电视只是英国创新和发明的头条新闻国家更愿意剥削。 IQE 决心不再让它再次发生。随着以 CS 为核心的全新技术浪潮的涌现，他们正在推动英国进行调整，以至少利用价值链的一部分目前位于海外。这意味着制造更多的 CS 芯片，更多由这些芯片驱动的模块，谁知道呢，也许是最终消费产品本身。政府行动
为了推动这一进程，该公司已经打造了与卡迪夫大学建立强有力的合作伙伴关系，卡迪夫大学在 2015 年向其化合物半导体研究所投资了 7500 万英镑。 IQE 和卡迪夫大学很快成立了一家合资企业，成立了复合半导体中心 (CSC)，用于开发和制作 CS 材料原型。英国政府随后宣布了开发复合半导体应用弹射器的计划，而在 2016 年，工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 是英国资助工程和物理科学研究的主要机构，它宣布向化合物半导体中心投资 1000 万英镑，以成为 总部位于卡迪夫大学。这将汇集斯旺西、曼彻斯特和谢菲尔德大学其他 CS 研究部门的专业知识。2017 年，卡迪夫首都地区 (CCR) 地区内阁以 3790 万英镑的投资支持该集群，以建立最先进的化合物半导体铸造厂。到目前为止，还不错。困难在于，就价值链而言，它只涉及技术准备水平 1-3，这些基本上是研发和原型制作。 4-6 级是真正的回报所在，在成品的商业化和销售中，目前在海外。有一个新兴行业已经在成长——像总部位于纽波特的 SPTS 这样的公司，它制造了一些用于制造 IQE 晶圆的设备进入芯片和实际上制造芯片的 IR/英飞凌在 CS 集群中发挥着重要作用。 但还需要更多。自 1988 年以来一直在公司工作的 IQE 传播总监克里斯·梅多斯告诉我，“1960 年代的硅谷是发起数字革命的所有技术的集中地。我们有潜力在英国对化合物半导体做同样的事情，通过将该行业的所有组成部分绑定在一起，这样我们不仅占据了整个垂直供应链，而且占据了从 1-6 的整个水平 TRL 链。”发生这种情况是化合物半导体应用弹射器要解决的挑战。关键是标题中的“应用程序”一词。 IQE 及其在学术界的合作伙伴及其在南威尔士州的公司集群正朝着占据 TRL 1-3 的方向迈进。英国需要在 TRL 4-6 中获得高分，这一事实完美地说明了这一点而你K 在全球 CS 晶圆市场的份额超过 50%（取决于您关注的领域，从 RF 通信到光子学），我们在价值呈指数增长的应用市场中的份额仅为 9%。IQE 的迹象是积极的野心可以实现。正如 CSA Catapult 所示，政府似乎非常偏袒，但有令人担忧的迹象表明，英国脱欧已开始阻碍我们。欧盟创建了一个名为欧洲共同利益重要项目 (IPCEI) 的论坛。它不提供任何资金，但它确实汇集了欧洲范围内的参与者，并且至关重要的是允许政府在不违反国家援助规则的情况下投资这些重要项目。化合物半导体的 IPCEI 项目吸引了 20 亿欧元的投标.德国、法国和意大利均出价数亿欧元。英国，世界领先的这项技术：仅 4800 万欧元。 IQE 的克里斯·梅多斯 (Chris Meadows) 表示，获得英国政府支持的合适工具可能是一家国家投资银行，该银行利用私人融资为政府支持的债券提供资金，以支持对 CS 行业的进一步投资。无论结果如何，都有巨大的机会为英国经济在化合物半导体方面的贡献。热切希望这一次我们作为一个国家能够凭借自己的聪明才智发家致富。
