À mesure que la densité des transistors des circuits intégrés se rapproche de la limite physique, il devient de plus en plus difficile d'améliorer les performances des circuits intégrés uniquement en améliorant le processus de fabrication. Concernant la manière de développer l'ère post-Moore de l'industrie des circuits intégrés, le monde recherche activement de nouvelles technologies, de nouvelles méthodes et de nouvelles voies. Afin de promouvoir davantage l'innovation technologique et d'accélérer le développement industriel des circuits intégrés chinois dans l'ère post-Moore, la China Semiconductor Industry Association et China Electronics News ont lancé conjointement une série de rapports intitulés « Les universitaires parlent de l'évolution technologique dans l'ère post-Moore ». Era", qui interviewera des universitaires de domaines connexes pour discuter de l'orientation du développement de l'industrie des semi-conducteurs dans l'ère post-Moore.

À l'heure actuelle, l'industrie des dispositifs et des matériaux à semi-conducteurs à large bande interdite (également connus sous le nom de semi-conducteurs de troisième génération) est déployée dans le pays et à l'étranger. Pourquoi l’industrie des semi-conducteurs à large bande interdite a-t-elle gagné les faveurs du marché ? Quelles sont les caractéristiques, les difficultés et les points faibles du processus de candidature ? Dans quelle direction les industries concernées devraient-elles évoluer à l’avenir ? Hao Yue a partagé son point de vue sur les problèmes actuels, les difficultés de développement et l'orientation future du développement de l'industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.

Journaliste : Tout d’abord, je voudrais vous demander de faire une brève introduction au semi-conducteur à large bande. Quelles sont les caractéristiques de ce type de semi-conducteur et quelles sont ses applications dans l’industrie ?

Hao Yue : La caractéristique la plus évidente des semi-conducteurs à large bande interdite est sa large bande interdite, qui est plus proche de l'isolant en termes de propriétés matérielles. Par conséquent, le nitrure de gallium et le carbure de silicium représentés par ce type de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite, avec une intensité de champ électrique de claquage élevée, une température de fonctionnement élevée, une faible résistance de conduction du dispositif, une densité électronique élevée et d'autres avantages, actuellement des semi-conducteurs à large bande interdite principalement dans trois domaines avoir une forte compétitivité sur le marché.

Le premier concerne les appareils RF, à savoir les appareils à micro-ondes à ondes millimétriques. Comparés aux matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium et le silicium, les dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite dans la bande millimétrique micro-ondes ont une efficacité de fonctionnement et une puissance de sortie nettement supérieures et conviennent aux dispositifs de puissance RF. Les appareils RF à usage civil sont principalement utilisés dans les communications mobiles, y compris à l'avenir les communications 4G, 5G et 6G. Par exemple, les stations de base de communication mobile 4G et 5G nouvellement installées en Chine utilisent presque toutes des appareils au nitrure de gallium. En particulier, LA station de base 5G adopte le système d'émission-réception MIMO. Chaque station de base transmet et reçoit 64 canaux et sa consommation électrique est plus de trois fois supérieure à celle de la station de base 4G. De plus, la densité de la station de base est supérieure à celle de la station de base 4G, il est donc presque impossible d'utiliser des appareils au nitrure de gallium à haut rendement. À l’avenir, la fréquence des communications 6G sera plus élevée et le nombre de stations de base sera plus important.

Le second concerne les appareils électroniques de puissance élevée. Des dispositifs électroniques de puissance à haute puissance et à haut rendement sont nécessaires pour les dispositifs de charge rapide, les systèmes de transmission et de transformation d'énergie, le transport ferroviaire, les véhicules électriques et les bornes de recharge. Il ne fait aucun doute que les semi-conducteurs à large bande interdite, en particulier le carbure de silicium, le nitrure de gallium présentent des avantages plus évidents que les autres matériaux semi-conducteurs.

Le troisième concerne les appareils photoélectriques. Le semi-conducteur à large bande interdite présente des avantages évidents, en particulier dans les dispositifs optoélectroniques à courte longueur d'onde. La lumière bleue, par exemple, utilise désormais du nitrure de gallium pour tous les éclairages à semi-conducteurs. Dans la lumière violette, la lumière ultraviolette et même la lumière jaune, la lumière verte peut être directement utilisée comme matériaux semi-conducteurs nitrurés.

Bien entendu, il existe d’autres domaines d’application, tels que les détecteurs, les capteurs, etc., l’application est très large.

Remarque : selon les données, la taille du marché des dispositifs à semi-conducteurs à large bande interdite a montré une tendance à la hausse très évidente depuis 2017. À votre avis, les semi-conducteurs à large bande ont-ils le potentiel d'être une technologie perturbatrice dans l'ère post-mauresque, et dans quelle mesure vont-ils remplacer le silicium ?

Hao Yue : Dans l'ère post-Moore, les puces de circuits intégrés en silicium sont confrontées à de grands défis en termes d'intégration et de consommation d'énergie, ce qui ralentit la loi d'intégration des puces de Moore tous les 18 mois. Par conséquent, de nouvelles solutions sont recherchées, notamment de nouvelles solutions de circuits intégrés 3D en silicium et de puces système. Les puces système sont également appelées « plus que la loi de Moore », qui fait référence à l'expansion continue des circuits intégrés en silicium pour s'intégrer à d'autres matériaux ou domaines d'application afin d'ouvrir de nouveaux marchés d'applications.

Je pense que les circuits intégrés au silicium sont hautement intégrés à d'autres types de semi-conducteurs, tels que les semi-conducteurs composés et les dispositifs au silicium, en faisant croître des composés sur des substrats en silicium, ce qui constitue un domaine très intéressant et très prometteur dans l'ère post-Molar. Il s’agit également d’une direction importante pour le développement futur de dispositifs semi-conducteurs et de circuits intégrés à large bande interdite.

Cependant, il est impossible que les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite remplacent le silicium. Plus de 90 % des circuits intégrés utilisent encore des semi-conducteurs à base de silicium, ainsi que des cellules solaires, majoritairement constituées de silicium. Les dispositifs semi-conducteurs et les circuits intégrés à large bande interdite n'occupent qu'une petite part du marché mondial des semi-conducteurs, principalement utilisés dans les dispositifs RF haute puissance, les dispositifs électroniques de puissance et les dispositifs optoélectroniques à courte longueur d'onde. Le silicium reste le matériau semi-conducteur dominant. Étant donné que les matériaux en silicium sont difficiles à émettre de la lumière et à améliorer la puissance de sortie à haute fréquence, les semi-conducteurs à large bande disposent d'un espace de développement indépendant et d'un énorme marché d'applications.

Journaliste : quelles difficultés subsistent encore dans le processus de promotion des matériaux et dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite en Chine auprès de l'industrie, quelles sont les raisons de ces difficultés et comment les résoudre ?

Hao Yue : À l'heure actuelle, l'industrie chinoise des semi-conducteurs est confrontée à un problème de « goulot d'étranglement », principalement au niveau des équipements et matériaux clés. Cependant, en termes d'équipements semi-conducteurs à large bande interdite, nous avons actuellement atteint la localisation dans la plupart des domaines, de la croissance des matériaux aux processus de dispositifs et de circuits jusqu'aux tests d'équipements d'emballage, le secteur domestique peut fondamentalement répondre aux besoins. Seule la lithographie restait en suspens. En fait, le processus de photolithographie nécessaire pour un semi-conducteur à large bande interdite tel que le nitrure de gallium n’a pas besoin d’être très avancé. Une précision de photolithographie de 90 nanomètres est suffisante. Avec le soutien des politiques nationales pertinentes, nous pouvons réaliser cette technologie. La machine de photogravure actuellement développée avec succès devrait atteindre une production de masse stable dans les plus brefs délais, et nous devons encore faire des efforts à cet égard. Nous pouvons bien faire, nous pouvons devenir une industrialisation des choses, nous devons le faire.

Journaliste : certains fabricants disent qu'actuellement dans de nombreux domaines de pointe, la production nationale de dispositifs à semi-conducteurs ne peut pas répondre aux exigences (telles que l'efficacité des dispositifs), pourquoi ? Comment résoudre ces problèmes ?

Hao Yue : Une conductivité thermique élevée et de faibles pertes sont des avantages inhérents aux semi-conducteurs à large bande. Le problème est que nous n’avons pas réussi à exploiter pleinement ces avantages dans le développement de produits. Par exemple, le nitrure de gallium à une fréquence de 4 GHz d'une puissance de sortie de 100 W, l'efficacité de l'appareil peut atteindre plus de 70 %. Pour d'autres matériaux, peut atteindre 50%, c'est bien, le rendement élevé est déterminé par la nature du matériau. Qu'il s'agisse de nitrure de gallium ou de carbure de silicium, l'efficacité des semi-conducteurs à large bande interdite est très élevée. Cependant, lors de l'application ultérieure des dispositifs, il est très important de garantir une faible perte de matériaux à chaque étape.

Dans les dispositifs en carbure de silicium, par exemple, après l'achèvement de la production de l'emballage, la base actuelle n'a pas réussi à emballer notre dispositif, conformément aux caractéristiques du dispositif et devrait devoir adopter le mode des dispositifs haute puissance d'encapsulation du silicium, Ainsi, la perte de semi-conducteur à large bande interdite a été augmentée, le rendement élevé et la faible perte ont été si encapsulés que les bases n'ont aucun effet. Ce n’est qu’un exemple, et je pense qu’il y a beaucoup plus à faire en termes d’adoption de la technologie.

Journaliste : Si la technologie des semi-conducteurs à large bande interdite est davantage popularisée, pourra-t-elle répondre aux exigences haut de gamme en matière de hautes performances, de résistance aux températures élevées et de longue durée de vie des appareils électroniques ?

Hao Yue : Je pense que cela peut être complètement résolu. Parce que dans le domaine des semi-conducteurs à large bande interdite, notre technologie de développement de dispositifs et nos indicateurs sont fondamentalement synchronisés avec l'international, et même certains indicateurs sont en tête. La question est de savoir à quelle vitesse ces technologies peuvent passer de la recherche et du développement à la production. À l'heure actuelle, de nombreux fabricants nationaux eux-mêmes n'ont pas de capacité de recherche et de développement, l'essentiel est d'adopter une doctrine. Par exemple, notre centre national de recherche en ingénierie sur les semi-conducteurs à large bande interdite de l'Université de Xidian a développé de nombreux matériaux et technologies de dispositifs à indice élevé. Au début, les fabricants étaient capables de construire l’appareil, mais il était difficile d’innover sur cette base. Notre pays estime que les entreprises constituent le principal moteur de l'innovation. Si les entreprises se contentent d’utiliser la technologie mais n’innovent pas, quelle que soit la qualité de la technologie, elle ne peut pas être continuellement transformée en forces productives. À l'heure actuelle, de nombreuses entreprises investissent très peu dans la RECHERCHE et le développement, et l'essentiel des investissements dans la recherche et le développement dépend toujours de l'État.

À titre de comparaison, Intel consacre plus de 10 milliards de dollars par an à la recherche et au développement des principales sociétés de semi-conducteurs. Les entreprises chinoises devraient améliorer leur capacité d’innovation et trouver des moyens d’augmenter leurs investissements en R&D.

Journaliste : Il est entendu que les universités et les instituts de recherche sont principalement évalués par la publication d'articles. Ce système d’évaluation peut rendre difficile une coopération étroite entre les universités et les industries. Quels rôles les écoles et les entreprises devraient-elles jouer respectivement dans l’alliance université-entreprise ?

Hao Yue : La recherche des universités et des instituts de recherche nationaux doit viser à la frontière de la science et de la technologie mondiales. Cela ne fait aucun doute. L’une des tâches des universités et des instituts de recherche est d’explorer les choses habituelles et de rechercher constamment de nouvelles choses. Cela est vrai non seulement dans les universités chinoises, mais aussi dans les universités du monde entier. Par conséquent, je pense qu’il est juste d’attacher de l’importance à la publication d’articles, en particulier dans des conférences et des revues universitaires. Les scientifiques et les scientifiques doivent faire face aux frontières de la science et de la technologie, et la mission des scientifiques est de poursuivre des objectifs plus élevés.

Les réalisations de la recherche scientifique des collèges et des universités devraient-elles être rapidement transformées en véritables forces productives ? Je pense que c'est certainement le cas. Mais comment garantir que les résultats de la recherche des collèges et des universités puissent se transformer en une réelle productivité ? Il existe une tendance selon laquelle les professeurs dirigent directement les entreprises, ce qui me semble également discutable. Il est très difficile pour un professeur de pouvoir affronter à la fois la frontière technologique et le principal champ de bataille économique.

Alors comment résoudre cet ensemble de contradictions ? À mon avis, s'appuyer sur la combinaison de l'industrie, de l'université et de la recherche pour améliorer les capacités de RECHERCHE et de développement des entreprises est la clé pour résoudre le problème. Par conséquent, comment faire de l'entreprise le principal élément de l'innovation est un sujet sur lequel nous devons déployer des efforts concertés.

Journaliste : Certaines grandes entreprises internationales, comme Clarie et Infineon, ont essentiellement couvert l'ensemble de la chaîne industrielle avec leurs technologies, depuis les substrats, les appareils jusqu'aux applications. Si les entreprises nationales sont en concurrence avec de telles entreprises et souhaitent devenir compétitives dans le domaine haut de gamme, comment devraient-elles procéder ?

Hao Yue : La société Kerui est spécialisée dans les matériaux semi-conducteurs en carbure de silicium au début de l'entreprise, fabrique entièrement des matériaux. Au fur et à mesure que le matériau se développait, on a commencé à fabriquer des appareils, des LED bleues verticales de haute puissance, puis des appareils électroniques. Infineon fabrique des appareils, pas des matériaux. Ce n’est qu’après être devenus leaders mondiaux dans leurs propres domaines qu’ils ont progressivement commencé à se développer en amont et en aval de la chaîne industrielle.

Donc, pour nos entreprises, mon conseil est de faire ce que nous pouvons bien faire, de faire de notre mieux, de faire impeccablement. Une entreprise ne doit pas considérer la chaîne industrielle dès le début. Elle doit choisir un domaine, le faire à l'extrême, puis envisager de s'étendre en amont et en aval. Il est impossible d’obtenir au départ des matériaux et des appareils de première qualité. Alors, quel est le positionnement de l'entreprise doit d'abord être clair.

Journaliste : Le nitrure de gallium et le carbure de silicium ont atteint une production de masse. Dans le domaine des semi-conducteurs à large bande interdite, quels sont les matériaux de demain ?

Hao Yue : Je pense que l'oxyde de gallium est le matériau le plus probable, car il a une bande interdite plus large que le nitrure de gallium et le carbure de silicium, atteignant 4.6 à 4.8 électrons-volts. Nos recherches actuelles montrent que ces matériaux sont prometteurs.

Au cours de la prochaine décennie, les dispositifs à l'oxyde de gallium deviendront probablement des dispositifs d'électronique de puissance compétitifs qui concurrenceront directement les dispositifs au carbure de silicium, tout comme le sont aujourd'hui les dispositifs au carbure de silicium et les dispositifs de puissance au silicium.

L'oxyde de gallium n'est pas disponible à l'heure actuelle, en fonction des progrès des recherches ultérieures. De plus, la bande interdite du matériau diamant est de 5.4 électrons-volts. Les bases de recherche sur ce type de matériau et de dispositif sont très bonnes en Chine, mais ce type de matériau présente encore de nombreuses difficultés techniques et son industrialisation est assez difficile, ce qui dépend du type de percée technologique qui sera réalisée au cours des 10 prochaines années. années. Il est juste de dire que nous avons travaillé sans relâche.

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