A mesura que la densitat del transistor IC s'acosta al límit físic, cada cop és més difícil millorar el rendiment de l'IC només millorant el procés de fabricació. Al voltant de com desenvolupar l'era post-Moore de la indústria IC, el món busca activament noves tecnologies, nous mètodes i nous camins. Per tal de promoure encara més la innovació tecnològica i accelerar el desenvolupament industrial dels circuits integrats de la Xina en l'era post-Moore, l'Associació de la indústria de semiconductors de la Xina i China Electronics News van llançar conjuntament una sèrie d'informes titulats "Els acadèmics parlen de l'evolució de la tecnologia a la post-Moore". Era", que entrevistarà acadèmics d'àmbits relacionats per discutir la direcció de desenvolupament de la indústria dels semiconductors a l'era post-Moore.

Actualment, la indústria de materials i dispositius de semiconductors de banda ampla (també conegut com a semiconductors de tercera generació) s'estan desplegant a casa i a l'estranger. Per què la indústria dels semiconductors de banda ampla ha guanyat el favor del mercat? Quines són les característiques, dificultats i punts dolorosos en el procés de sol·licitud? Quina direcció haurien de desenvolupar les indústries rellevants en el futur? Hao Yue va compartir les seves opinions sobre els problemes actuals, les dificultats de desenvolupament i la direcció de desenvolupament futura de la indústria dels semiconductors de banda ampla.

Reporter: En primer lloc, m'agradaria demanar-vos que feu una breu introducció al semiconductor de banda ampla. Quines són les característiques d'aquest tipus de semiconductors i quines són les seves aplicacions a la indústria?

Hao Yue: La característica més òbvia del semiconductor de banda ampla és la seva amplada de banda ampla, que s'acosta més a l'aïllant pel que fa a les propietats del material. Per tant, nitrur de gal·li i carbur de silici representats per aquest tipus de materials semiconductors de banda ampla, amb una gran intensitat de camp elèctric de descomposició, alta temperatura de funcionament, baixa resistència a la conducció del dispositiu, alta densitat d'electrons i altres avantatges, actualment semiconductor de banda ampla principalment en tres camps. tenen una forta competitivitat de mercat.

El primer són els dispositius RF, és a dir, els dispositius d'ona mil·limètrica de microones. En comparació amb els materials semiconductors com l'arsenur de gal·li i el silici, els dispositius semiconductors de banda ampla en la banda mil·límetre de microones tenen una eficiència de treball i una potència de sortida significativament superiors i són adequats per a dispositius de potència RF. Els dispositius RF d'ús civil s'utilitzen principalment en comunicacions mòbils, incloses les comunicacions 4G, 5G i 6G en el futur. Per exemple, les estacions base de comunicacions mòbils 4G i 5G recentment instal·lades a la Xina gairebé totes utilitzen dispositius de nitrur de gal·li. En particular, l'estació base 5G adopta el sistema de transceptor MIMO. Cada estació base transmet i rep 64 canals, i el seu consum d'energia és més de tres vegades el de l'estació base 4G. A més, la densitat de l'estació base és superior a la de l'estació base 4G, de manera que és gairebé impossible utilitzar dispositius de nitrur de gal·li d'alta eficiència. En el futur, la freqüència de comunicació 6G serà més alta i el nombre d'estacions base serà més destacat.

El segon són els dispositius electrònics d'alta potència. Es necessiten dispositius electrònics d'alta potència i d'alta eficiència per a dispositius de càrrega ràpida, sistemes de transmissió i transformació d'energia, trànsit ferroviari, vehicles elèctrics i piles de càrrega. Sens dubte, el semiconductor de banda ampla, especialment el carbur de silici, el nitrur de gal·li té avantatges més evidents que altres materials semiconductors.

El tercer són els dispositius fotoelèctrics. El semiconductor de banda ampla té avantatges evidents, especialment en dispositius optoelectrònics de longitud d'ona curta. La llum blava, per exemple, ara utilitza nitrur de gal·li per a tota la il·luminació de semiconductors. A la llum violeta, la llum ultraviolada i fins i tot en la llum groga, la llum verda es pot utilitzar directament com a materials semiconductors de nitrur.

Per descomptat, hi ha altres àrees d'aplicació, com detectors, sensors, etc., l'aplicació és molt àmplia.

Nota: segons les dades, la mida del mercat dels dispositius semiconductors de banda ampla ha mostrat una tendència a l'alça molt òbvia des del 2017. En la teva opinió, els semiconductors de banda ampla poden ser una tecnologia disruptiva en l'era post-morisca? i fins a quin punt substituiran el silici?

Hao Yue: A l'era posterior a Moore, els xips de circuits integrats de silici s'enfronten a grans reptes en termes d'integració i consum d'energia, la qual cosa frena la llei de Moore d'integració de xips cada 18 mesos. Per tant, es busquen noves solucions, incloent noves solucions de circuits integrats 3D de silici i xips de sistema. Els xips del sistema també s'anomenen Més que la llei de Moore, que fa referència a l'expansió contínua dels circuits integrats de silici per integrar-se amb altres materials o camps d'aplicació per obrir nous mercats d'aplicacions.

Crec que els circuits integrats de silici estan molt integrats amb altres tipus de semiconductors, com ara semiconductors compostos i dispositius de silici, que creixen compostos sobre substrats de silici, que és un camp molt interessant i molt prometedor en l'era post-Molar. També és una direcció important per al desenvolupament de dispositius semiconductors i circuits integrats de banda ampla en el futur.

Tanmateix, és impossible que els materials semiconductors de banda ampla substitueixin el silici. Més del 90% dels circuits integrats encara utilitzen semiconductors basats en silici, així com cèl·lules solars, que estan fetes principalment de silici. Els dispositius de semiconductors i circuits integrats de banda ampla només ocupen una petita part del mercat mundial de semiconductors, utilitzats principalment en dispositius RF d'alta potència, dispositius electrònics de potència i dispositius optoelectrònics de longitud d'ona curta. El silici segueix sent el material semiconductor dominant. Com que els materials de silici són difícils d'emetre llum i millorar la potència de sortida a altes freqüències, els semiconductors de banda ampla tenen un espai de desenvolupament independent i un mercat d'aplicacions enorme.

Reporter: quines dificultats encara hi ha en el procés de promoció dels materials i dispositius semiconductors de banda ampla de la Xina a la indústria, quines són les raons d'aquestes dificultats i com resoldre'ls?

Hao Yue: Actualment, la indústria de semiconductors de la Xina s'enfronta a un problema de "coll d'ampolla", principalment en equips i materials clau. Tanmateix, pel que fa als equips de semiconductors de banda ampla, actualment hem aconseguit la localització en la majoria dels camps, des del creixement del material, el procés del dispositiu i el circuit fins a l'equip d'embalatge de prova, el domèstic bàsicament pot satisfer les necessitats. Només la litografia va quedar sense resoldre. De fet, el procés de fotolitografia necessari per a un semiconductor de banda ampla com el nitrur de gal·li no necessita ser molt avançat. Una precisió de fotolitografia de 90 nanòmetres és suficient. Amb el suport de les polítiques nacionals rellevants, podem aconseguir aquesta tecnologia. La màquina de fotogravat que s'ha desenvolupat amb èxit en l'actualitat hauria d'aconseguir una producció massiva estable el més aviat possible, i encara hem de fer esforços en aquest sentit. Podem fer-ho bé es pot convertir en industrialització de les coses, ho hem de fer.

Reporter: alguns fabricants diuen que actualment en molts camps d'avantguarda, la producció domèstica de dispositius semiconductors no pot complir els requisits (com ara l'eficiència del dispositiu), per què? Com resoldre aquests problemes?

Hao Yue: l'alta conductivitat tèrmica i la baixa pèrdua són avantatges inherents als semiconductors de banda ampla. El problema és que no hem pogut aprofitar al màxim aquests avantatges en el desenvolupament de productes. Per exemple, nitrur de gal·li a una freqüència de 4 GHz de potència de sortida de 100 W, l'eficiència del dispositiu pot arribar a més del 70%. Per a altres materials, pot arribar al 50% és bo, l'alta eficiència ve determinada per la naturalesa del material. Ja sigui nitrur de gal·li o carbur de silici, l'eficiència dels semiconductors de banda ampla és molt alta. No obstant això, en la posterior aplicació de dispositius, és molt important garantir la baixa pèrdua de materials en cada pas.

En el dispositiu de carbur de silici, per exemple, després de la finalització de la producció d'envasos, el bàsic actual no va funcionar en l'embalatge del nostre dispositiu, d'acord amb les característiques del dispositiu i hauria de fer, encara adoptar el mode de dispositius d'alta potència d'encapsulació de silici, per tant, va augmentar la pèrdua d'alta eficiència de semiconductors de banda ampla i baixa pèrdua, de manera que l'encapsulació, bàsica, no té cap efecte. Aquest és només un exemple, i crec que es pot fer molt més en termes d'adopció de tecnologia.

Reporter: si la tecnologia de semiconductors de banda ampla es popularitza encara més, pot complir els requisits de gamma alta d'alt rendiment, resistència a alta temperatura i llarga vida útil dels dispositius electrònics?

Hao Yue: Crec que es pot resoldre completament. Com que en el semiconductor de banda ampla, la nostra tecnologia i indicadors de desenvolupament de dispositius estan bàsicament sincronitzats amb l'internacional, i fins i tot alguns indicadors són líders. La pregunta és amb quina rapidesa poden passar aquestes tecnologies de la recerca i el desenvolupament a la producció. En l'actualitat, molts fabricants nacionals no tenen capacitat d'R + D, el bàsic és prendre la doctrina. Per exemple, el nostre Wide Band Gap Semiconductor National Engineering Research Center de la Universitat Xidian ha desenvolupat molts materials i tecnologies de dispositius d'alt índex. Al principi, els fabricants van poder construir el dispositiu, però va ser difícil innovar sobre aquesta base. El nostre país creu que les empreses són el principal cos de la innovació. Si les empreses només utilitzen la tecnologia però no innoven, per molt bona que sigui la tecnologia, no es pot transformar contínuament en forces productives. Actualment, moltes empreses tenen una inversió molt limitada en RECERCA i desenvolupament, i la inversió principal en recerca i desenvolupament encara depèn de l'estat.

En comparació, Intel gasta més de 10 milions de dòlars l'any en investigació i desenvolupament de les principals empreses de semiconductors. Les empreses xineses haurien de millorar la seva capacitat d'innovació i també trobar maneres d'augmentar la inversió en R+D.

Reporter: S'entén que les universitats i els instituts de recerca s'avaluen principalment mitjançant la publicació de treballs. Aquest sistema d'avaluació pot dificultar la col·laboració estreta de les universitats i les indústries. Quins papers han de tenir les escoles i les empreses respectivament en l'aliança universitat-empresa?

Hao Yue: La recerca de les universitats i els instituts nacionals de recerca ha d'apuntar a la frontera de la ciència i la tecnologia mundials. No hi ha dubte d'això. Una de les tasques de les universitats i instituts de recerca és explorar coses habituals i buscar coses noves constantment. Això és cert no només a les universitats xineses, sinó a les universitats de tot el món. Per tant, crec que és correcte donar importància a la publicació d'articles, especialment en congressos i revistes acadèmiques. Els científics i els científics haurien d'enfrontar-se a les fronteres de la ciència i la tecnologia, i la missió dels científics és perseguir objectius més alts.

Els èxits de recerca científica dels col·legis i universitats s'han de transformar ràpidament en forces productives reals? Crec que certament ho és. Però, com assegurar-se que els resultats de la recerca dels col·legis i universitats es puguin transformar en productivitat real? Hi ha una tendència dels professors a dirigir empreses directament, cosa que crec que també és qüestionable. És molt difícil que un professor pugui afrontar tant la frontera tecnològica com el principal camp de batalla econòmic.

Llavors, com resoldre aquest grup de contradiccions? Al meu entendre, confiar en la combinació de la indústria, la universitat i la investigació per millorar les capacitats de RECERCA i desenvolupament de l'empresa és la clau per resoldre el problema. Per tant, com fer realitat l'empresa com a principal cos de la innovació, això és una cosa que hauríem de fer esforços concertats.

Reporter: Algunes grans empreses internacionals, com Clarie i Infineon, bàsicament han cobert tota la cadena de la indústria amb les seves tecnologies, des de substrats, dispositius fins a aplicacions. Si les empreses nacionals competeixen amb aquestes empreses i volen formar competitivitat en el camp de gamma alta, com ho haurien de fer?

Hao Yue: l'empresa Kerui està especialitzada en materials semiconductors de carbur de silici al començament de l'empresa, fa completament materials. A mesura que el material va créixer, va començar a fabricar dispositius, leds blaus verticals d'alta potència i després electrònica. Infineon ha estat fent dispositius, no materials. Només després de convertir-se en líders mundials en els seus propis camps, van començar a desenvolupar gradualment amunt i avall de la cadena industrial.

Per tant, per a les nostres empreses, el meu consell és fer el que podem fer bé, fer el millor, fer-ho impecable. Una empresa no hauria de considerar la cadena industrial al principi. Hauria de triar un camp, fer-ho fins a l'extrem i, a continuació, plantejar-se expandir-se aigües amunt i aigües avall. És impossible aconseguir materials i dispositius de primera qualitat al principi. Per tant, quin és el posicionament de l'empresa, primer hauria de quedar clar.

Reporter: el nitrur de gal·li i el carbur de silici han aconseguit una producció massiva. En el camp dels semiconductors de banda ampla, quins són els materials de cara al futur?

Hao Yue: Crec que l'òxid de gal·li és el material més probable, que té un buit de banda més ampli que el nitrur de gal·li i el carbur de silici, arribant a 4.6 ~ 4.8 electron volts. La nostra investigació actual demostra que aquests materials són prometedors.

En la propera dècada més o menys, és probable que els dispositius d'òxid de gal·li es converteixin en dispositius electrònics de potència competitius que competiran directament amb els dispositius de carbur de silici, tal com ho són avui els dispositius de carbur de silici i d'energia de silici.

L'òxid de gal·li no està disponible actualment, depenent del progrés de la investigació posterior. A més, el buit de banda del material de diamant és de 5.4 electronvolts. La base d'investigació d'aquest tipus de material i dispositiu és molt bona a la Xina, però encara hi ha moltes dificultats tècniques en aquest tipus de material i la seva industrialització és força difícil, la qual cosa depèn de quin tipus d'avenç tecnològic es farà en els propers 10 anys. És just dir que hem estat treballant incansablement.

Exempció de responsabilitat: aquest article es reimprimeix de "China Electronic News", aquest article només representa les opinions personals de l'autor, no representa les opinions de Sakwei i la indústria, només per reimprimir i compartir, donar suport a la protecció dels drets de propietat intel·lectual, si us plau indiqueu el font original i autor, si hi ha una infracció, poseu-vos en contacte amb nosaltres per eliminar-lo.