ככל שצפיפות הטרנזיסטור של ה-IC מתקרבת לגבול הפיזי, קשה יותר ויותר לשפר את ביצועי ה-IC רק על ידי שיפור תהליך הייצור. סביב איך לפתח את עידן פוסט-מור של תעשיית ה-IC, העולם מחפש באופן פעיל אחר טכנולוגיות חדשות, שיטות חדשות ודרכים חדשות. על מנת לקדם עוד יותר את החדשנות הטכנולוגית ולהאיץ את הפיתוח התעשייתי של המעגלים המשולבים של סין בעידן שלאחר מור, China Semiconductor Industry Association ו-China Electronics News השיקו יחד סדרת דיווחים שכותרתם "אקדמיה מדברים על אבולוציה טכנולוגית בפוסט-מור עידן", שיראיין אקדמאים בתחומים קשורים כדי לדון בכיוון הפיתוח של תעשיית המוליכים למחצה בעידן שלאחר מור.

נכון לעכשיו, מכשירי ותעשיית החומרים של מוליכים למחצה רחבי פס (הידוע גם בתור הדור השלישי של מוליכים למחצה) נפרסים בבית ומחוצה לה. מדוע זכתה תעשיית המוליכים למחצה הרחבה בפס רחב? מהם המאפיינים, הקשיים ונקודות הכאב בתהליך היישום? לאיזה כיוון תעשיות רלוונטיות אמורות להתפתח בעתיד? Hao Yue שיתף את דעותיו על הבעיות הנוכחיות, קשיי הפיתוח וכיוון הפיתוח העתידי של תעשיית המוליכים למחצה רחבי פס.

כתב: קודם כל, אני רוצה לבקש ממך לעשות הקדמה קצרה עם המוליך למחצה רחב הלהקה. מהם המאפיינים של מוליכים למחצה מסוג זה ומהם היישומים שלו בתעשייה?

Hao Yue: המאפיין הברור ביותר של מוליכים למחצה מרווח פס רחב הוא רוחב הפער הרחב שלו, שקרוב יותר למבודד מבחינת תכונות החומר. לכן, גליום ניטריד וסיליקון קרביד המיוצגים על ידי סוג זה של חומרים מוליכים למחצה מרווח פס רחב, עם חוזק שדה חשמלי פירוק גבוה, טמפרטורת הפעלה גבוהה, התנגדות הולכה נמוכה של המכשיר, צפיפות אלקטרונים גבוהה ויתרונות אחרים, כיום מוליכים למחצה מרווח פס רחב בעיקר בשלושה תחומים בעלי תחרותיות חזקה בשוק.

הראשון הוא התקני rf, כלומר התקני גל מיקרוגל מילימטר. בהשוואה לחומרים מוליכים למחצה כגון גליום ארסניד וסיליקון, למכשירי מוליכים למחצה מרווח פס רחב ברצועת מילימטר מיקרוגל יש יעילות עבודה והספק פלט גבוהים משמעותית, והם מתאימים להתקני הספק RF. התקני Rf לשימוש אזרחי משמשים בעיקר בתקשורת ניידת, כולל תקשורת 4G, 5G ו-6G בעתיד. לדוגמה, תחנות הבסיס החדשות של תקשורת 4G ו-5G בסין משתמשות כמעט במכשירי גליום ניטריד. בפרט, תחנת הבסיס של 5G מאמצת מערכת משדר MIMO. כל תחנת בסיס משדרת ומקבלת 64 ערוצים, וצריכת החשמל שלה היא יותר משלושה מזו של תחנת הבסיס 4G. יתרה מכך, הצפיפות של תחנת הבסיס גבוהה מזו של תחנת הבסיס 4G, כך שכמעט בלתי אפשרי להשתמש בהתקני גליום ניטריד בעלי יעילות גבוהה. בעתיד, תדר תקשורת 6G יהיה גבוה יותר ומספר תחנות הבסיס יהיה בולט יותר.

השני הוא מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה. דרושים מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה ויעילות גבוהה עבור התקני טעינה מהירה, מערכות העברת כוח ומערכות טרנספורמציה, מעבר מסילות, כלי רכב חשמליים וערימות טעינה. אין ספק שלמוליכים למחצה מרווח פס רחב, במיוחד סיליקון קרביד, גליום ניטריד יש יתרונות ברורים יותר מחומרים מוליכים למחצה אחרים.

השלישי הוא מכשירים פוטו-אלקטריים. למוליך למחצה מרווח פס רחב יש יתרונות ברורים במיוחד בהתקנים אופטו-אלקטרוניים קצרים - אורך גל. אור כחול, למשל, משתמש כעת בגליום ניטריד עבור כל תאורת מוליכים למחצה. באור סגול, אור אולטרה סגול ואפילו באור צהוב, אור ירוק יכול לשמש ישירות כחומרים מוליכים למחצה ניטרידים.

כמובן, ישנם תחומי יישום נוספים, כגון גלאים, חיישנים וכן הלאה, היישום רחב מאוד.

הערה: על פי הנתונים, גודל השוק של התקני מוליכים למחצה מרווח פס רחב הראה מגמת עלייה ברורה מאוד מאז 2017. לדעתך, האם למוליכים למחצה רחבי פס יש פוטנציאל להיות טכנולוגיה משבשת בעידן הפוסט-מורי, ועד כמה יחליפו את הסיליקון?

Hao Yue: בעידן שלאחר מור, שבבי מעגלים משולבים סיליקון מתמודדים עם אתגרים גדולים במונחים של אינטגרציה וצריכת חשמל, מה שמאט את חוק שילוב השבבים של מור כל 18 חודשים. לכן, מחפשים פתרונות חדשים, לרבות פתרונות חדשים של מעגלים משולבים תלת מימד סיליקון ושבבי מערכת. שבבי מערכת נקראים גם יותר מחוק מור, המתייחס להתרחבות מתמשכת של מעגלים משולבים סיליקון כדי להשתלב עם חומרים אחרים או תחומי יישומים אחרים כדי לפתוח שווקי יישומים חדשים.

אני חושב שמעגלים משולבים סיליקון משולבים מאוד עם סוגים אחרים של מוליכים למחצה, כמו מוליכים למחצה מורכבים והתקני סיליקון, גידול תרכובות על מצעי סיליקון, שזה תחום מאוד מעניין, מאוד מבטיח בעידן הפוסט-טוחני. זה גם כיוון חשוב לפיתוח של התקני מוליכים למחצה מרווח פס רחב ומעגלים משולבים בעתיד.

עם זאת, לא ייתכן שחומרי מוליכים למחצה רחבי פס יחליפו את הסיליקון. יותר מ-90% מהמעגלים המשולבים עדיין משתמשים במוליכים למחצה מבוססי סיליקון, כמו גם בתאים סולאריים, שעשויים בעיקר מסיליקון. התקני מוליכים למחצה מרווחי פס רחב ומעגלים משולבים תופסים נתח קטן בלבד בשוק המוליכים למחצה העולמי, המשמשים בעיקר בהתקני RF בהספק גבוה, התקני אלקטרוניקה הספק והתקנים אופטו-אלקטרוניים בעלי אורך גל קצר. סיליקון הוא עדיין החומר הדומיננטי במוליך למחצה. מכיוון שלחומרי סיליקון קשה לפלוט אור ולשפר את הספק הפלט בתדרים גבוהים, למוליכים למחצה רחבי פס יש מרחב פיתוח עצמאי ושוק יישומים עצום.

כתב: אילו קשיים עדיין קיימים בתהליך קידום החומרים וההתקנים המוליכים למחצה רחבים בפס רחב של סין לתעשייה, מהן הסיבות לקשיים אלו וכיצד לפתור אותם?

Hao Yue: נכון לעכשיו, תעשיית המוליכים למחצה בסין מתמודדת עם בעיית "צוואר בקבוק", בעיקר בציוד וחומרי מפתח. עם זאת, במונחים של ציוד מוליכים למחצה מרווח פס רחב, השגנו לוקליזציה ברוב התחומים כיום, מצמיחת חומר, תהליך מכשיר ומעגלים ועד לבדיקת ציוד אריזה, הביתי בעצם יכול לענות על הצרכים. רק הליטוגרפיה נותרה בלתי פתורה. למעשה, תהליך הפוטוליתוגרפיה הדרוש עבור מוליך למחצה מרווח פס רחב כגון גליום ניטריד אינו צריך להיות מתקדם במיוחד. דיוק פוטוליטוגרפי של 90 ננומטר מספיק. עם תמיכה של מדיניות לאומית רלוונטית, נוכל להשיג טכנולוגיה זו. מכונת הצילום שפותחה בהצלחה כיום אמורה להשיג ייצור המוני יציב בהקדם האפשרי, ואנחנו עדיין צריכים לעשות מאמצים בהקשר זה. אנחנו יכולים לעשות טוב יכול להפוך לתיעוש של דברים, אנחנו חייבים לעשות את זה.

כתב: חלק מהיצרנים אומרים שכרגע בתחומים חדישים רבים, ייצור התקן מוליכים למחצה המקומי אינו יכול לעמוד בדרישות (כגון יעילות המכשיר), מדוע? איך פותרים את הבעיות הללו?

Hao Yue: מוליכות תרמית גבוהה ואובדן נמוך הם היתרונות הטבועים של מוליכים למחצה רחבי פס. הבעיה היא שלא הצלחנו לנצל את מלוא היתרונות הללו בפיתוח המוצר. לדוגמה, גליום ניטריד בתדר 4GHz של הספק מוצא של 100W, יעילות המכשיר יכולה להגיע ליותר מ-70%. עבור חומרים אחרים, יכול להגיע 50% זה טוב, יעילות גבוהה נקבעת על פי אופי החומר. בין אם גליום ניטריד או סיליקון קרביד, יעילות מוליכים למחצה עם פער רחב של פסים היא גבוהה מאוד. עם זאת, ביישום לאחר מכן של מכשירים, חשוב מאוד להבטיח אובדן נמוך של חומרים בכל שלב.

במכשירי סיליקון קרביד, למשל, לאחר השלמת ייצור האריזה, הבסיס הנוכחי נכשל באריזת המכשיר שלנו, בהתאם למאפייני המכשיר וצריך לעשות, עדיין לאמץ את המצב של התקני הספק גבוה של עטיית סיליקון, ובכך הגדיל את אובדן הפס רחב של מוליכים למחצה יעילות גבוהה ואיבוד נמוך היה כל כך אנקפסולציה, בסיסית לא הייתה השפעה. זו רק דוגמה אחת, ואני חושב שאפשר לעשות הרבה יותר במונחים של אימוץ טכנולוגיה.

כתב: אם טכנולוגיית המוליכים למחצה הרחבה בפס רחב זוכה לפופולריות נוספת, האם היא יכולה לעמוד בדרישות הגבוהות של ביצועים גבוהים, עמידות בטמפרטורה גבוהה וחיי שירות ארוכים של מכשירים אלקטרוניים?

Hao Yue: אני חושב שניתן לפתור אותה לחלוטין. מכיוון שבמוליך למחצה רחב פס הפער, טכנולוגיית פיתוח המכשירים והאינדיקטורים שלנו מסונכרנים בעצם עם הבינלאומי, ואפילו כמה אינדיקטורים מובילים. השאלה היא באיזו מהירות הטכנולוגיות הללו יכולות לעבור ממחקר ופיתוח לייצור. נכון לעכשיו, יצרנים מקומיים רבים עצמם אינם מו"פ יכולת, הבסיס הוא לקחת את הדוקטרינה. לדוגמה, המרכז הלאומי למחקר הנדסי של Wide Band Gap Gap Semiconductor באוניברסיטת Xidian פיתח חומרים וטכנולוגיות מכשירים רבים בעלי אינדקס גבוה. בהתחלה, יצרנים הצליחו לבנות את המכשיר, אבל היה קשה לחדש על בסיס זה. ארצנו מאמינה שארגונים הם הגוף העיקרי של חדשנות. אם ארגונים פשוט משתמשים בטכנולוגיה אבל לא מחדשים, לא משנה כמה הטכנולוגיה טובה, לא ניתן להפוך אותה ללא הרף לכוחות יצרניים. כיום, למפעלים רבים יש השקעה מוגבלת מאוד במחקר ובפיתוח, ועיקר ההשקעה במחקר ופיתוח תלויה עדיין במדינה.

לשם השוואה, אינטל מוציאה יותר מ-10 מיליארד דולר בשנה על מחקר ופיתוח של חברות מוליכים למחצה מובילות. ארגונים סיניים צריכים לשפר את יכולת החדשנות שלהם וגם למצוא דרכים להגדיל את ההשקעה במו"פ.

כתב: מובן שאוניברסיטאות ומכוני מחקר מוערכים בעיקר על ידי פרסום מאמרים. מערכת הערכה זו עשויה להקשות על שיתוף פעולה הדוק של אוניברסיטאות ותעשיות. אילו תפקידים צריכים בתי ספר ומפעלים למלא בהתאמה בברית האוניברסיטה-מפעלים?

Hao Yue: המחקר של אוניברסיטאות ומכוני מחקר לאומיים חייב לכוון אל חזית המדע והטכנולוגיה העולמית. אין ספק בכך. אחת המשימות של אוניברסיטאות ומכוני מחקר היא לחקור דברים קבועים ולרדוף כל הזמן אחר דברים חדשים. זה נכון לא רק באוניברסיטאות סיניות, אלא באוניברסיטאות ברחבי העולם. לכן אני חושב שנכון לייחס חשיבות לפרסום מאמרים, במיוחד בכנסים אקדמיים ובכתבי עת אקדמיים. מדענים ומדענים צריכים להתמודד עם גבולות המדע והטכנולוגיה, ומשימתם של המדענים היא לחתור למטרות גבוהות יותר.

האם יש להפוך במהירות את הישגי המחקר המדעיים של מכללות ואוניברסיטאות לכוחות יצרניים אמיתיים? אני חושב שזה בהחלט כן. אבל איך להבטיח שניתן להפוך את תוצאות המחקר של מכללות ואוניברסיטאות לפריון אמיתי? יש נטייה לפרופסורים לנהל חברות ישירות, שלדעתי גם מוטלת בספק. קשה מאוד לפרופסור להיות מסוגל להתמודד גם עם הגבול הטכנולוגי וגם עם שדה הקרב הכלכלי העיקרי.

אז איך פותרים את קבוצת הסתירות הזו? לדעתי, הסתמכות על השילוב של תעשייה, אוניברסיטה ומחקר כדי לשפר את יכולות המחקר והפיתוח של המיזם עצמו היא המפתח לפתרון הבעיה. לכן, איך לממש את המיזם כגוף החדשנות העיקרי, זה משהו שעלינו לעשות מאמצים משותפים.

כתב: כמה חברות בינלאומיות גדולות, כמו Clarie ו-Infineon, כיסו בעצם את כל שרשרת התעשייה עם הטכנולוגיות שלהן, ממצעים, מכשירים ועד יישומים. אם מפעלים מקומיים מתחרים במפעלים כאלה ורוצים ליצור תחרותיות בתחום היוקרתי, איך עליהם לעשות?

Hao Yue: חברת Kerui מתמחה בחומרים מוליכים למחצה סיליקון קרביד בתחילת החברה, לחלוטין לעשות חומרים. ככל שהחומר גדל, הוא החל לייצר מכשירים, לדים כחולים אנכיים בעלי הספק גבוה, ולאחר מכן אלקטרוניקה. אינפיניון כבר עושה מכשירים, לא חומרים. רק לאחר שהפכו למובילים עולמיים בתחומם, הם החלו להתפתח בהדרגה למעלה ולמטה בשרשרת התעשייתית.

אז עבור המפעלים שלנו, העצה שלי היא לעשות מה שאנחנו יכולים לעשות טוב, לעשות את הטוב ביותר, לעשות ללא דופי. מיזם לא צריך לשקול את השרשרת התעשייתית כבר בהתחלה. עליו לבחור תחום, לעשות זאת עד הקצה, ואז לשקול להתרחב במעלה הזרם ובמורד הזרם. אי אפשר להשיג חומרים ומכשירים מהשורה הראשונה בהתחלה. אז מה הוא מיצוב הארגון, צריך להיות ברור קודם.

כתב: גליום ניטריד וסיליקון קרביד השיגו ייצור המוני. בתחום המוליכים למחצה מרווח פס רחב, מהם החומרים העומדים בפני העתיד?

Hao Yue: אני חושב שגליום אוקסיד הוא החומר הסביר ביותר, שיש לו פער פס רחב יותר מאשר גליום ניטריד וסיליקון קרביד, שמגיע ל-4.6~4.8 וולט אלקטרונים. המחקר הנוכחי שלנו מראה כי חומרים כאלה מבטיחים.

בעשור הקרוב לערך, מכשירי גליום אוקסיד עשויים להפוך למכשירי אלקטרוניקה תחרותיים שיתחרו ישירות בהתקני סיליקון קרביד, בדיוק כמו מכשירי כוח סיליקון קרביד וסיליקון כיום.

תחמוצת גליום אינה זמינה כיום, בהתאם להתקדמות המחקרים הבאים. בנוסף, פער הרצועה של חומר יהלום הוא 5.4 וולט אלקטרונים. הבסיס המחקרי של חומר ומכשיר מסוג זה טוב מאוד בסין, אך עדיין ישנם קשיים טכניים רבים בחומר מסוג זה והתיעוש שלו די קשה, תלוי באיזו פריצת דרך טכנולוגית תיעשה ב-10 הבאות שנים. זה הוגן לומר שעבדנו ללא לאות.

כתב ויתור: מאמר זה נדפס מחדש מ"China Electronic News", מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, אינו מייצג את דעותיהם של Sakwei והתעשייה, רק כדי להדפיס מחדש ולשתף, לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, נא לציין את מקור מקור ומחבר, אם יש הפרה, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק.