到2045 年，《化合物半导体》杂志将庆祝创刊五十周年，我们工业的影响范围将大幅扩张。我们行业制造的那些里程碑式的芯片将逐渐被取代，并存放在历史的记忆之中届时半导体技术将广泛应用于航空运输，水和表面消毒 ；卓越的显示 ；极高效电源 ; 和惊人的高速数据传输。

By Richard Stevenson

我希望您和我一样，对经常重复秉持“砷化镓是未来，永远都是”的观点，认为是很无知的。不过我们不要忘记CD 和DVD 播放器中GaAs 基激光二极管，用于切割并焊接金属构成汽车骨架的高功率GaAs 基衍生激光器，智能手机中的GaAs HBT 微波信号放大器。

但是，尽管硅半导体产业可能会惹恼我们这些从事GaAs、InP、GaN 或SiC 等化合物半导体产业人员，但是我们不得不承认我们可以从他们身上学到很多东西。现实情况是，我们梦想复制他们的成熟技术，可靠性分析，以及低缺陷水平控制，等等。

我们可以从硅半导体产业中学到的另一个教训就是如果我们绘制迄今为止的成功率，由此推断，我们将看到未来的发展。硅产业摩尔定律很好地说明了这一点，几十年来一直保持着进步。甚至当持续成功似乎不太可能时，小型化引发问题的不明显解决方案方面，进展一直保持历史速度。

我们还可以绘制行业进展情况。这给我们有机会不仅回顾过去，看看我们已经走了多远，更可以看看我们将来会是什么样。由此，我们可以进行有根据的猜测，不仅仅在未来化合物半导体芯片的性能方面，而且在它们支撑的技术进步方面。

在LED 行业，进步遵循海兹定律：每过十年，每流明成本下降90％，封装LED 产出提高20 倍。白光LED 从其第一个杀手级应用—手机背光源开始，急速发展，最终提供一般照明。未来几年，每流明价格的进一步下降将帮助LED 照明成为无处不在的技术。LED 灯泡现在可以说是一种普通商品，该行业的总体收入有望攀升，但是芯片制造商的利润却极其微薄。

可见光LED 的新兴机会是microLED。此应用市场可达数十亿美元，每流明成本继续下降。但是，如果该类型显示将大规模应用，像素微芯片的巨量转移技术必须突破。该问题经过多年的努力，已有一些有前途的解决方案，例如eLux 的微流控技术– 但如果要想成为下一个杀手级应用的话，还必须有更多的进步与突破。

火星上的LED

对于深紫外LED，如果根据海兹定律继续取得进展的话，在《化合物半导体》杂志庆祝成50 周年之际，这些器件将无处不在。到2045 年，封装的深紫外线LED 将以每瓦一美元的低成本，实现数百瓦的功率输出，这要归功于芯片的设计，封装以及驱动方式。如果发生这种情况，那么今天现有的深紫外汞灯将放进博物馆。届时，UVLED 将成为主导净化水和表面及空气消毒的技术，并且还将应用在众多涉及粘合剂固化的工艺过程。一些器件甚至可能在火星上– 美国宇航局载人计划在本世纪30 年代执行任务，即使有推延，很有可能在接下来的25 年之内深紫外线LED 将应用于火星上宇航员饮用水的净化。未来几十年也会保持稳定提高蓝光激光器的效率。虽然蓝光LED 的电光转换效率已超过70％，但是当今最好的单模蓝光激光器的电光转换效率才接近40%，多模也仅45% 左右。这两个数字都在提高，即使在未来几十年内改善速度不快，到2045 年该效率仍将超过70％。这样的效率意味着什么？激光器的热管理就便捷多了？使用该激光源加工铜或其他黄色金属的应用将大幅增加，因为这些材料对蓝光具有最佳吸收性。相比之下，现今使用更常见的红外激光加工这些金属时，就会导致溅射和最终劣质焊缝。除了材料加工的销售增长外，在电动汽车产量增长的推动下，蓝色激光在彩色投影仪中的应用也日渐凸显。投影仪有机会取代背光屏，这些是家庭和办公室中的一项重要电器及资产。亮度不足阻碍了投影仪市场拓展，彩色投影还需要绿色激光，绿色激光效率要落后于蓝色激光，不过它们也在改善中，并且绿色激光的需求效率也低于蓝色激光，因为绿色是眼睛最敏感的波长。鉴于晶圆在位测试的优点，圆形发射模式和高调制率，未来25 年将见证VCSEL 光谱覆盖范围的扩展及出货量的增长。在接下来的几年，红外VCSEL 将在支持面部识别的智能手机中大量应用，并在车用激光雷达中大显身手。GaN 基蓝色和绿色VCSEL 仍在开发中，但毫无疑问，它们将最先应用于汽车大灯中。到2045 年，他们应该已经进入了其他市场，如显示器等。

多结任务

在未来几年中，将会发射许多卫星。大家熟知的SpaceXStarlink 计划，旨在到2027 年建立一个有12,000 颗小型卫星组成的全球宽带互联网的骨干框架。这将为制造商提供很多多结太阳能电池业务。尽管这些装置价格昂贵，但是高效率和强抗辐射能力使他们垄断了这个市场。这些电池的效率不断提高，但总功率却没有明显提高。目前正在探索一种会聚太阳光的技术，这种方法可以带来可观的效果。

会聚阳光的技术建立地面PV 产业的希望很大，不过该希望被打破了：硅价暴跌；以及金融危机迫使缺乏经验的公司急需大量投资。现在很少有团队鼓吹高效率的益处– 削减成本的潜在解决方案– 但效率最高记录继续上升。来自NREL 的团队追求六结电池设计，该电池效率超过47％，如果电阻可以减小到四结变型中的电阻，这种电池可能会打破50％大关。可能会有进一步的提高，实际上限是略超过60％。鉴于硅电池的缓慢进步，即便使现有技术的效率记录翻倍，也不会使处在进退两难境地的CPV( 聚光太阳能)产业绝处逢生。为降低成本需要规模经济，以及优化产业化工艺。太空中可以应用CPV 吗？若应用的话，单位面积发电量将作为晴朗气候下的关键指标，到2045 年CPV 有可能成为一个大产业。

SiC，GaN 和氧化镓

在宽禁带行业中，进步是迅速的， Cree 对SiC 的10 亿美元投资，促使其在2017 年-2024 年间将其产能增加30 倍。其许多SiC 器件将应用在电动汽车中，电动汽车中导入SiC 器件将变得越来越普遍，因为全世界的政府都希望减少碳排放。硅基氮化镓电力电子器件也将有望获得市场的青睐，最初的电压为600 伏或更低，它们将应用于各种形式的高效率电源。接下来，GaN CMOS 应该开始出现，从而进一步提高电路效率，体积更小，重量更轻。但是，到2045 年，这些中量级材料– 也就是我们应该如何看待GaN 和SiC – 很可能走下坡路。到那时，它们可能会被氧化镓取代，氧化镓是具有许多诱人属性的重量级材料。氧化镓的Baliga 值要高1 个量级，制造成本也极具竞争力。与SiC 和GaN 不同，氧化镓衬底可以通过熔融技术进行生长，生产具有价格优势的高品质器件。像GaN 一样，晶体管的性能由于难以实现p 型掺杂而受到阻碍，但是工程师可以使用类似的技巧来确保成功：使用栅极功函数来夹断阵列鳍沟道。氧化镓的另一个问题是它的热导系数低，其解决方案也是与其他化合物半导体器件所采用技术途径类似。通过跟随其他宽禁带半导体材料的产业化脚步，氧化镓器件的产业化可能需要更少的时间，并更快进入规模量产。

7G 的形成

历史进度表明，移动通信技术从一代进入下一代大约需要十年，到2045年我们应该已经建立了良好的7G环境。届时，数据传输速率将令人难以置信，可能达每秒数百G，微波在太赫兹频段。

但是，难道我们将必须拥有这项技术吗？基于市场经济学的一系列引人注目的论点，一些消息灵通的怀疑论者建议不这样做。在升级更换智能手机的事情上，人数比以前少了很多，因为最新型号仅提供额外辅助功能–也许是更好的相机或防水性能。我们经常不愿意为通话支付高额费用，因此运营商很难增加收入。问题本质上是随着时间的流逝，我们期望更多而付钱更少。有了这种心态，运营商应该不愿投资任何新一代技术。而且这种担忧应该会被放大，因为相继推出的技术现在变得越来越昂贵。最新几代移动技术的运行在较高的频率水平，同时衰减更高。增加传输功率不是可行的选择，因为监管机构不太可能批准，而且功率提高会损害电池寿命，因此解决方案是采用较小的基站单元，这又会增加基建成本。有人可能想知道为什么有人会需要这些令人叹为观止的传输速度。仅仅在便携式小屏幕上观看超高清节目是说不通的。也许超快数据速率将用于远程机器人手术，但这几乎又不是主流应用。所以，如果我们当中的大多数人都看不到对超高速的需求，为什么我们愿意为此支付额外的费用呢？威胁在于运营商将永远无法收回投资。

但是也许我们看错了。早在1990年代，Word 5是Microsoft套件中的瑰宝，似乎不需要更多的计算动力，无论速度还是内存。但是如果我们要在今天尝试使用这些机器，他们会感到非常笨拙，无法应付我们的高分辨率照片，数据下载等。额外级别计算性能已通过多种方式使我们今天很重视，但这在以前却是没有想到的。目前，Covid-19大流行已经改变了我们工作的世界。虽然我们现在可以进入办公室，如果我们参加一个会议，可能涉及登录并收听演示文稿。真遗憾我们不能在现场，因为我们无法象以前一样亲密，我们无法掌握肢体语言。但是，假设我们进行了超快速的交流，提供了更多沉浸式体验，涉及某种形式的虚拟现实。这可能是如此有益，以至于公司愿意支付连接费用，认为它提供了很好的回报，远远少于机票和酒店账单。它也会帮助减少碳排放，这可能会在2040年代更受重视的问题。如果7G确实在本杂志庆祝成立五十周年之前推出，对于我们的行业的确是个好消息。通讯频谱高达GHz，甚至在太赫兹波段，那里有足够的频谱空间，化合物半导体器件肯定会在手机和基础设施中广泛应用。砷化镓可能仍占主导地位，但它可能输给III-Vs中速度之王InP。在通讯领域的成功，再加上电力电子，卫星，显示和消毒领域，告诉我们即使是硅产业的人目前尚无法欣赏化合物半导体的好处，那么今天，在2045年之前我们应该开始改变他们的想法。因为化合物半导体器件已经普及到整个社会，并且在今后的25年时间里，它们扮演的角色将更加重要。