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芬兰派科森纳米技术有限公司中国区总经理叶国光:解读中国“芯”——粤港澳大湾区半导体新材料的未来版图

发布时间:2019-07-16      作者:叶国光  
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半导体的重要性有多大?

 

    人类文明进步的脚步可以跟随人类使用器具的材料发展来看,从远古的石器时代、铜器时代到铁器时代,直至现代的“半导体时代”。随着半导体原材料的电子器件在人类生活中的重要程度日趋加深,如今硅与三五族半导体为原材料的电子器件的产值,已经超过了以钢为原材料的产值,人类社会进入了一个新的文明时代,这就是“半导体时代”。

 

    我们知道广义的半导体行业就是由周期表IIIA族到VA族的材料所制造的器件与相关衍生的产业,范围涵盖了记忆元器件、微处理器、逻辑元器件、光电器件以及侦测器等等。狭义的半导体行业通常称为硅半导体产业,就是以硅为主要材料的集成电路产业。目前,半导体已经在资讯、通讯、消费性电子、车用电子、工业用电子与国防用电子中扮演着极为重要的角色。所以,以硅锗等四族与砷化镓氮化镓等三五族材料将会在未来世界扮演最重要的角色,也是本文要给大家介绍的关键材料。

 

在中美竞争的格局中,中国缺什么?

 

    进入21世纪,随着中国在世界舞台上的崛起,美国开始感受到压力,于是在政治上、军事上、经济上与科技上多重打压中国的崛起。而受到中美贸易战的影响,中国半导体新材料行业进行了深刻反思,我总结出来就两个字——“缺芯”,而缺芯的关键就是缺关键材料与关键设备。

 

    珠三角作为中国经济的领头羊与火车头,粤港澳大湾区拥有改革开放40年累积的雄厚基础,理应要担当这个重责大任,尤其是在美国用关键技术卡中国脖子的当下,我国手机与计算机里面的各种芯片,服务器数据中心与基站里面的关键元器件,仍然大量依赖进口。根据2018年中国海关的半导体芯片与元器件进出口统计,中国大陆进出口逆差超过2274.2亿美元,远远超过原油的进口量,这样庞大的数额已经证明中国有多么的缺“芯”,造成此困局最大的原因就是我们的芯片技术远远落后欧美日韩,尤其是先进节点的芯片技术至少落后了一到两代。展望未来,只有知己知彼,认清自己的弱点,谦虚学习别人的长处,用开放的心胸吸引国内外精英,用踏实肯干的精神深入基础研究,这样我们才有机会赶上与国际的差距。

 

    而突破“缺芯”现状的核心就是关键材料与关键设备的掌握。由于过去粤港澳地区装备与重工业基础比较薄弱,半导体设备人才基础较浅,加上市场经济意识的根深蒂固,因此这里不太适宜发展那些需要政府大力扶持的半导体关键设备。而对半导体关键新材料研究开发的投入,可以比较快地看到应用成果,与目前粤港澳大湾区的资源更加匹配,所以我强烈建议粤港澳大湾区投入半导体新材料与新工艺的研发,协同长三角与京津冀在关键设备领域的分工,解决我们“缺芯”的痛苦,为中国制造2025打下坚实的基础。

 

中国芯的制造版图:我们跟世界相比,还差多少?

 

    由于起步太晚,中国高科技产业,尤其是半导体产业跟欧美日韩的差距可谓是不小。我们以几个领域来比较,在半导体设备领域,目前国内几家大的12寸或8寸晶圆厂,里面生产芯片的设备国产率不到10%,几乎所有的关键设备都依赖进口。在集成电路芯片领域,虽然我国集成电路芯片设计跟国外差距正在渐渐缩小,但是集成电路芯片制造与国外相比不论是逻辑还是记忆芯片差距仍然颇大(目前国内最先进的量产工艺是28纳米制程,海外已经可以量产7纳米,差了两个时代)。而具有特殊功能的射频通讯芯片与电力电子芯片领域,国内几乎空白或处于起步阶段,需要大量进口欧美日芯片,一旦断绝材料供应,我国的通信设备商几乎停摆,去年的中兴通信事件就是最明显的例子,光电产业虽然很多领域有出彩的表现,例如LEDLCD与光伏,但是在最先进的激光二极管(光感测VCSEL与大功率LD)和OLED都有一定的落后。

 

    所幸我们在这次的中美贸易战中,已经意识到这些差距,也开始正视这些差距。那么如何才能利用中国各地域的资源与人才,协同发展高科技产业呢?我认为专注与不重复投资浪费资源,是我们追赶国际水平过程中最关键的两点。

 

    根据我的观察,目前中国半导体产业的发展模式跟韩国最初的发展模式很接近,中国的半导体产业也是由政治力量与市场经济合力推挤与融合出来的。中国目前半导体产业的状态是越北方,政策推进越强,越南方,市场力量越强。以北京为核心的北方是中国半导体设备制造的中心,和韩国情况类似,自制半导体设备是我国发展半导体产业的另一个至关重要的工作;而位于中间的长三角,介于政策与市场之间,几乎聚集了我国资金投入巨大的硅半导体集成电路产业;市场意识强烈的粤港澳大湾区,则是芯片最大的出海口,所以华南的深圳与广州两个大城市是光电产业与电子产业应用的中心,这里有广大的电子产品出海口以及创新的电子与设计产业,助力半导体产业市场大爆发。现在我试着帮大家梳理这三个地区的优劣势与未来的分工,当然还有我们粤港澳大湾区未来在中国半导体行业的定位:新材料的前沿创新。

 

以北京为核心的华北与东北地区将会是半导体设备制造中心

 

    由于北方是中国政治、教育与基础科学中心,这样的资源最适合做什么呢?当然就是设备制造,半导体设备是半导体产业发展最重要的工具,非常需要最高端的人才,以及大量的前期资金投入。北京聚集了中国最好的高校与研发机构,东北更有重工业家底,军工也非常发达,这些资源都是现成的,如果未来中国可以学习日本或韩国,在科研与产业间探索一种最合适的合作机制,利用好这些资源,再加上政策支持,最高端的中国半导体设备制造将不会是一个梦,也许也会产生像应用材料(Applied Materials) 这样的世界级设备制造商。

 

华东地区将是集成电路制造中心

 

    沿着长江流域,就像珍珠项链一样,晶圆厂就像珍珠一样被串起来,上海就是这一串项链里面的中心。江南地区自古就是富饶之地,并且有深厚的市场经济底蕴。当今,几纳米线宽的晶体管连接成驱动高科技产品的集成电路,这样高投入的产业在这个地区最有可能实现良好发展。

 

粤港澳大湾区将会是高科技应用创新的聚集地与出海口

 

    南方市场经济发达,这里聚集了中国最不受束缚的大脑,开发出全球最前沿与最创新的科技产品,可以说珠三角目前是中国应用科技产业大本营。

 

    在高科技产业的微笑曲线上,附加价值较高的设计与研发在曲线的一端,市场与品牌在另一端,而中间低凹处就是附加价值较低的制造环节。目前粤港澳大湾区在中间的制造环节中大部分低端制造都已经迁移到内陆省份或东南亚地区,在市场与品牌方面,这里的高科技产品终端应用也渐渐打响名号,尤其是电子产品,成为中国制造的新名片。我一直希望粤港澳有机会像旧金山湾区一样成为世界的硅谷,掌握微笑曲线的两端,但是很可惜,我们还缺少了微笑曲线的另一端:设计与研发,尤其是在新材料的研究与开发方面。我认为前沿技术的创新是美国硅谷可以立于不败之地最大的武器,这也是目前粤港澳大湾区与旧金山湾区相比最大的短板,如何成为世界级的湾区,我想最后的拼图就在这里,尤其是我下面要介绍的关键“芯”技术的核心——半导体新材料。

 

我们需要哪些“芯”?这些“芯”的未来到底要做什么?

 

    过去,大家对半导体的认识可能主要是以硅材料为代表的集成电路产业,事实上广义的半导体是一个很大很广的产业集群,包括:集成电路、功率器件、光伏发光器件、传感器、光感测与显示产业都可以归类为半导体产业。本文中将介绍以硅(Si)为代表的第一代半导体,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体,和以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)宽禁带材料为代表的第三代半导体。为了让大家对这三种半导体有深刻的认识,图1对三代半导体材料的主要特征和产业应用进行了比较,接下来我用人的器官组织来做比喻:

 

    第一代半导体就像一个人的大脑,记忆、思考与运算都在这里进行,就像集成电路芯片一样,不但可以储存信息(RAM),也可以做运算与辨识(CPUGPU),未来更可以深度学习(ASIC);第二代半导体就像一个人的神经网络(有线与无线通讯)与感官组织(MEMS或感测器),可以利用它来感受并传输外面的信息和影像到我们的大脑;第三代半导体就像一个人的肺、心脏与消化系统的结合体(功率器件),将能量有效率地转换成源源不绝的动力,让我们可以生生不息的活在世界上。现在就让我来介绍这三种半导体材料对未来人类的作用。

 

    第一代半导体的集成电路是赋予计算机、手机和未来的自动驾驶汽车等电子产品高速运算的芯片,如精密的半导体设备尤其是光刻设备,逻辑芯片让器件尺寸的缩小导致薄膜厚度的减小已超出了其物理和电学极限,同时高纵宽比在记忆储存芯片器件结构中随处可见。因此,新材料的开发一直扮演着非常重要的角色,例如制备用于晶体管闸极及电容器中的高k(介电系数)介电质和金属薄膜、铜阻挡膜、刻蚀终止层、多种间隙层和薄膜扩散阻挡层、钴金属取代铜铝制程以及非挥发存储器等。先进的集成电路工艺在28纳米(nm)节点以下的制程需要使用鳍式场效应晶体管FinFET技术,厚度要薄又要兼顾降低漏电流的高k介电材料非常重要,如何在FinFET制程导入高介电层金属栅极HKMGHigh K Metal Gate)关系到高阶集成电路的发展,这些关键的材料,例如利用原子层技术镀膜的材料,将扮演极重要的角色。目前与未来的科技发展方向如IoTAR/VR、智能交通、人工智能、大数据、5G、机器学习等新兴应用市场,都需要更先进的用于集成电路的新材料技术来满足。

 

    第二代半导体除了砷化镓红外光源用来作为安防与红外摄像之外,还有4G与未来5G手机里面的砷化镓功率放大器(PA)。光纤通讯用的磷化铟激光芯片在目前高速上网的宽带系统扮演着极为重要的角色,砷化镓面射型激光器件更是大数据中心最重要的传输光源,这样的激光用在3D感测技术与未来的自动驾驶技术是非常合适的。这些发光器件与功率器件的性能关键还是在材料的开发与优化,尤其是各种不同比例组成的新材料结构,会更优化器件的性能与功能。可以这样说,第二代半导体材料的创新将会使人与人之间沟通更顺畅,日常的生活更便捷与安全。

 

    第三代半导体除了氮化镓LED发起的半导体照明革命之外,未来的氮化镓激光器件更会带动一波显示革命,将人类的视觉感官体验提升到极致;氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)的功率器件在电力电子与新能源交通运输方面可以降低电力转换损耗,让能源使用更高效,当然未来5G的无线基地台、无线局域网络(WLAN)5G通信,氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)也会扮演非常重要的角色。

 

    有了这些前沿半导体新材料的创新,我们离未来ABCSAI人工智能、BigData大数据、Cloud Computing云计算与Sensing感测)融合在一起的世界又可以更进一步了。芯片科技进展到现在,我们已经利用人工智能的深度学习、大数据、云计算加上机器视觉以及AR/VR来实现现实功能,从而进一步提升智能制造与智能生活。以车用电子为例,人工智能芯片已经整合智能驾驶,能够同时对行人、机动车、非机动车、车道线、交通标志牌、红绿灯等多类目标进行精准实时监测与识别。在智能汽车电子方面,以汽车电子升智能制造为契机,Mobileye公司在ADAS (高级驾驶辅助系统)技术方面的开发和应用,加上高精地图技术、摄像头和传感器技术完成自动驾驶系统的开发都是目前半导体技术可以实现的发展应用与趋势。

 

    跟液晶显示器LCD、发光二极管LED与太阳能光伏发电不同,目前高阶的集成电路IC、光感测激光芯片、微波与电力功率器件都还没有进入中国轨道,而且有些部分还差距甚远。中国轨道是我创造的名词,我认为当某一个高科技行业发展到一定程度,其关键技术突破已经接近极限,但是因为价格原因还无法被一般老百姓享受这个高科技产生的果实,但未来这个行业一定会进入中国轨道,只要进入中国轨道,全球的普罗大众就可以享受这项高科技带来的产品与服务。笔者认为,中国人也许在原创的发明创新能力上仍有欠缺,但是因为有我们的中国轨道,全世界不分贫富贵贱都享受到了科技创新带来的红利,这不就是中国对世界的最大贡献吗?如果未来粤港澳大湾区能加大前沿半导体新材料产业的投入,也许最先进的半导体芯片制造就会很快进入中国轨道。

 

    最后关于技术含量最高的集成电路未来趋势,我的看法是“IC逻辑芯片技术与记忆芯片技术的整合,将会是继FinFET延长摩尔定律20年之后,集成电路的再一次技术大革命”。图2对逻辑芯片与记忆芯片在表现特性、技术属性、产品属性、市场、竞争力五个方面进行了比较。我们一直遵循着计算机之父冯-诺依曼(John von Neumann)将电脑分成记忆与逻辑两个部分,所以集成电路公司也分成圆晶代工(IC foundry)与动态随机存取存储器(DRAM)厂商,两个平行线始终无法交集,但是我们的大脑里的记忆与思考逻辑是分不开的,必须始终都在同一个地方运转,那为什么电脑不能这样呢?如今做DRAM的强者三星开始做IC 代工,台积电TSMC也开始关注DRAM,他们是不是都在考虑将这两种芯片整合在一起?这样的整合会是突破摩尔定律的另一个革命吗?无论是从先进材料还是先进工艺上来说,这两种技术地整合都牵扯到人工智能的进化速度,更影响着人类对未来世界的塑造。如何利用这个机会进入这个领域,也许会关系到粤港澳大湾区能不能成为另一个硅谷的关键。

 

    科学技术的未来,就是人类能够做到精密与微小极限的能力,而先进材料的开发就是扮演这样的重要角色的工具之一。

 

关于发展半导体新材料,我们要如何具体执行?

 

    虽然珠三角有很强大的制造业,但部分企业总是围绕着公司的需求做中短期的研发计划,尤其是半导体新材料的研发投入,仍缺乏长期的战略规划,当然我们无法苛责企业的做法,毕竟企业以盈利与生存为最大目标。

 

    另外,虽然粤港澳大湾区的科研单位与高校有很多超前的科研项目,但是因为对科研人员的考核指标仍以发表论文的质量与数量为主要依据,令科研项目与产业实际发展脱轨,这也许就是粤港澳大湾区发展半导体新材料的瓶颈。当然这也是国内普遍的现象。我认为如果不走出这个困局,未来半导体产业前景堪忧。我们以第三代半导体材料为例,目前珠三角是世界LED的生产基地,全世界约有一半的LED都产自于珠三角,这里的许多知名企业虽然很强,但大都是因为大而强,而不是因为技术突出而强,激光照明、微显示与激光显示的技术都缺乏长远的深入的研发投入,只有少数几个地方政府组织了相关研发机构,请了个别专家与海归博士坐镇,投入了少量的资金,但并没有实质的运作起来,结果不仅浪费了人才,也浪费了资源。我认为第三代半导体技术五年后肯定是非常重要的科技,这个观点或许企业知道,科研单位也知道,但就是缺少了有效的资源整合,企业有资金没方向,科研单位有人才但是缺乏好的设备与可持续的资金,这就是目前的现状。这导致我们的产业大而不强,科研成果多而不精,高科技产业发展虚而不实。

 

    综合以上,为了解决上述问题,建议可以成立一个粤港澳半导体新材料研究院。政府给企业的补助要集中,尤其是半导体新材料相关的科研经费要相对集中起来,投入到半导体新材料研究院。研究院只投入第一代、第二代与第三代半导体新材料的研发,针对企业五年后或十年发展的技术储存,而非眼前的研发,研究院的负责人需要的是集研发管理与市场行销本领的人才,如此才能贴近企业的长远利益,同时也不会被企业绑架。

 

    其次,研究院为非盈利单位,以研发半导体新材料来创造利益,当然最重要的目标就是研发要贴近粤港澳大湾区产业的长远利益,只做最前沿技术,不重复投资尖端设备,不给企业增加负担,只让企业分享成果。日本韩国台湾与北欧都有很多类似的成功例子,粤港澳大湾区目前天时地利已有,人和已在眼前,就看我们如何把握机遇了。

 

 

 

本文刊登于《科技与金融》20197月刊,如需转载请与编辑部联系。

转载时请注明文章来源“科技与金融杂志”。

 

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