IC のトランジスタ密度が物理的限界に近づくにつれ、製造プロセスの改善だけで IC の性能を向上させることがますます困難になってきています。 ポスト・ムーア時代の IC 産業をどのように発展させるかについて、世界は新しいテクノロジー、新しい方法、新しい道を積極的に模索しています。 ポスト・ムーア時代の中国集積回路の技術革新をさらに促進し産業発展を加速するため、中国半導体工業協会と中国電子新聞は共同で「学者らがポスト・ムーア時代の技術進化について語る」と題した一連のレポートを創刊した。 Era」では、ポストムーア時代の半導体産業の発展の方向性について関連分野の学者にインタビューします。

現在、ワイドバンドギャップ半導体（第三世代半導体とも呼ばれる）デバイスおよび材料産業が国内外で展開されています。なぜワイドバンドギャップ半導体産業が市場の支持を獲得したのでしょうか?申請プロセスの特徴、難しさ、問題点は何ですか?関連産業は今後どのような方向に発展していくべきでしょうか？ Hao Yue氏は、ワイドバンドギャップ半導体産業の現在の問題、開発の困難さ、将来の発展の方向性についての見解を共有した。

記者：まず、ワイドバンド半導体について簡単にご紹介いただきたいと思います。この種の半導体にはどのような特徴があり、業界ではどのような用途があるのでしょうか?

Hao Yue: ワイドバンドギャップ半導体の最も明らかな特徴は、その広いバンドギャップ幅であり、材料特性の点では絶縁体に近いです。したがって、この種のワイドバンドギャップ半導体材料に代表される窒化ガリウムと炭化ケイ素は、高い破壊電界強度、高い動作温度、低いデバイス伝導抵抗、高い電子密度などの利点を備え、現在、ワイドバンドギャップ半導体は主に3つの分野で使用されています。強い市場競争力を持っています。

4つ目はrfデバイス、つまりマイクロ波ミリ波デバイスです。マイクロ波ミリ波帯のワイドバンドギャップ半導体デバイスは、ガリウムヒ素やシリコンなどの半導体材料に比べて動作効率や出力が大幅に高く、高周波パワーデバイスに適しています。民生用の RF デバイスは、主にモバイル通信 (将来は 5G、6G、4G 通信を含む) で使用されます。たとえば、中国に新たに設置された 5G および 5G 移動通信基地局は、ほぼすべて窒化ガリウムデバイスを使用しています。特に、THE 64G基地局はMIMO送受信システムを採用しています。各基地局は4チャネルを送受信し、その消費電力は4G基地局の6倍以上です。さらに、基地局の密度はXNUMXG基地局の密度よりも高いため、高効率の窒化ガリウムデバイスを使用することはほとんど不可能です。今後、XNUMXGの通信周波数はさらに高くなり、基地局の数もさらに増加すると考えられます。

2つ目は高出力パワーエレクトロニクスデバイスです。高出力および高効率のパワー エレクトロニクス デバイスは、急速充電装置、送電および変電システム、鉄道交通機関、電気自動車、および充電パイルに必要です。ワイドバンドギャップ半導体、特に炭化ケイ素や窒化ガリウムには、他の半導体材料よりも明らかな利点があることは間違いありません。

3つ目は光電デバイスです。ワイドバンドギャップ半導体は、特に短波長光電子デバイスにおいて明らかな利点を持っています。たとえば、ブルーライトでは現在、すべての半導体照明に窒化ガリウムが使用されています。紫色光、紫外光、さらには黄色光の中でも緑色光はそのまま窒化物半導体材料として利用できます。

もちろん、検出器やセンサーなどの他の応用分野もあり、その応用範囲は非常に幅広いです。

注: データによると、ワイドバンドギャップ半導体デバイスの市場規模は 2017 年以降、非常に明らかな増加傾向を示しています。あなたの意見では、ワイドバンドギャップ半導体はポストムーア時代の破壊的技術となる可能性がありますか?そしてシリコンはどの程度まで代替されるのでしょうか？

Hao Yue: ポストムーアの時代では、シリコン集積回路チップは集積度と消費電力の点で大きな課題に直面しており、そのためチップ集積化のムーアの法則は 18 か月ごとに遅れています。したがって、シリコン 3D 集積回路やシステム チップの新しいソリューションを含む、新しいソリューションが求められています。システム チップは「モア ザン ムーアの法則」とも呼ばれます。これは、シリコン集積回路を継続的に拡張して他の材料やアプリケーション分野と統合し、新しいアプリケーション市場を開拓することを指します。

シリコン集積回路は、シリコン基板上に化合物を成長させる化合物半導体やシリコンデバイスなど、他の種類の半導体と高度に統合されていると思います。これは、ポストモーラー時代において非常に興味深く、非常に有望な分野です。これは、将来のワイドバンドギャップ半導体デバイスおよび集積回路の開発にとって重要な方向性でもあります。

しかし、ワイドバンドギャップ半導体材料がシリコンに代わることは不可能です。集積回路の 90% 以上は依然としてシリコンベースの半導体と、主にシリコンで作られた太陽電池を使用しています。ワイドバンドギャップ半導体デバイスおよび集積回路は、世界の半導体市場で小さなシェアしか占めておらず、主に高出力RFデバイス、パワーエレクトロニクスデバイス、および短波長オプトエレクトロニクスデバイスに使用されています。シリコンは依然として主要な半導体材料です。シリコン材料は発光しにくく、高周波での出力を向上させることが難しいため、広帯域半導体には独立した開発スペースと巨大なアプリケーション市場があります。

記者: 中国のワイドバンドギャップ半導体材料とデバイスを業界に宣伝する過程で依然としてどのような困難が存在しますか。これらの困難の理由は何ですか、またその解決方法は何ですか?

Hao Yue: 現在、中国の半導体産業は、主に主要な装置や材料において「ボトルネック」問題に直面しています。しかし、ワイドバンドギャップ半導体装置に関しては、材料成長からデバイス・回路プロセス、テストパッケージング装置に至るまで、現在、ほとんどの分野で国産化を達成しており、基本的には国内でニーズに応えることが可能です。リソグラフィーだけが未解決のままでした。実際、窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体に必要なフォトリソグラフィープロセスは、それほど高度なものである必要はありません。フォトリソグラフィーの精度は 90 ナノメートルで十分です。関連する国家政策の支援により、私たちはこの技術を実現することができます。現在開発に成功している写真製版機は、一刻も早く安定した量産を実現する必要があり、今後も努力が必要です。私たちはうまくやれば物事の工業化ができるので、それをしなければなりません。

記者：一部のメーカーは現在、多くの最先端分野で国内の半導体デバイス生産が要件（デバイス効率など）を満たせないと言っていますが、なぜですか？これらの問題を解決するにはどうすればよいでしょうか?

Hao Yue: 高い熱伝導率と低い損失は、広帯域半導体に固有の利点です。問題は、これらの利点を製品開発に十分に活用できなかったことです。たとえば、窒化ガリウムでは、周波数 4GHz、出力電力 100W の場合、デバイス効率は 70% 以上に達します。他の材料の場合、50% に達することができれば良好ですが、高効率は材料の性質によって決まります。窒化ガリウムでも炭化ケイ素でも、ワイドバンドギャップ半導体の効率は非常に高くなります。ただし、その後のデバイスの適用では、各ステップでの材料の損失を確実に低く抑えることが非常に重要です。

たとえば、炭化ケイ素デバイスでは、パッケージングの生産が完了した後、現在の基本的なデバイスのパッケージングは​​失敗し、デバイスの特性に応じて、引き続きシリコンカプセル化の高出力デバイスのモードを採用する必要があります。したがって、ワイドバンドギャップ半導体の損失が増加し、高効率かつ低損失であるためカプセル化されており、基本的には効果がありません。これはほんの一例であり、テクノロジーの導入に関してできることは他にもたくさんあると思います。

記者：ワイドバンドギャップ半導体技術がさらに普及すれば、電子機器の高性能、高温耐性、長寿命といったハイエンドの要件を満たすことができるでしょうか？

ハオ・ユエ：完全に解決できると思います。なぜなら、ワイドバンドギャップ半導体では、当社のデバイス開発技術や指標は基本的に国際と同期しており、一部の指標では先行しているからです。問題は、これらのテクノロジーが研究開発から生産までどれだけ早く移行できるかです。現状では国内メーカー自体に研究開発能力が無い場合が多く、主義主張が基本です。たとえば、西甸大学のワイドバンドギャップ半導体国立工学研究センターは、多くの高屈折率材料とデバイス技術を開発してきました。当初、メーカーはデバイスを製造することはできましたが、それに基づいて革新するのは困難でした。我が国は、イノベーションの主体は企業であると考えています。企業がテクノロジーを使用するだけで革新を行わなければ、テクノロジーがどれほど優れていても、それを生産力に継続的に変換することはできません。現在、多くの企業は研究開発への投資が非常に限られており、研究開発への主な投資は依然として州に依存しています。

これに対し、インテルは大手半導体企業の研究開発に年間10億ドル以上を費やしている。中国企業はイノベーション能力を向上させるとともに、研究開発への投資を増やす方法を見つける必要がある。

記者：大学や研究機関は主に論文発表で評価されているとのことですが。この評価制度により、大学と産業界の緊密な連携が困難になる可能性があります。大学と企業の連携において、学校と企業はそれぞれどのような役割を果たすべきでしょうか？

ハオ・ユエ：大学や国立研究機関の研究は、世界の科学技術のフロンティアを目指さなければなりません。それについては疑いの余地がありません。大学や研究機関の仕事の一つは、当たり前のことを探究し、常に新しいことを追求することです。これは中国の大学だけでなく、世界中の大学に当てはまります。したがって、特に学会や学術雑誌での論文発表を重視するのは正しいと思います。科学者と科学者は科学技術の最前線に立ち向かうべきであり、科学者の使命はより高い目標を追求することです。

大学の科学研究の成果は、すぐに実際の生産力に転換されるべきでしょうか?確かにそうだと思います。しかし、大学の研究結果を実際の生産性に確実に変換するにはどうすればよいでしょうか?教授が直接企業を経営する傾向がありますが、これも疑問だと思います。教授にとって、技術のフロンティアと経済の主戦場の両方に立ち向かうことは非常に困難です。

では、この一連の矛盾をどのように解決すればよいのでしょうか?私の意見では、産業界、大学、研究を組み合わせて企業自身の研究開発能力を向上させることが問題を解決する鍵となります。したがって、イノベーションの主体としての企業をどう実現していくか、これは我々が総力を挙げて取り組むべきことであります。

記者: Clarie や Infineon などの一部の大手国際企業は、基本的に基板、デバイスからアプリケーションに至るまで、自社のテクノロジーで産業チェーン全体をカバーしています。国内企業がこうした企業と競合し、ハイエンド分野で競争力を形成したい場合、どうすべきでしょうか。

Hao Yue: Kerui 社は、会社の設立当初は炭化ケイ素半導体材料に特化しており、完全に材料を行っています。材料が成長するにつれて、デバイス、垂直高出力青色 LED、そしてエレクトロニクスの製造が始まりました。インフィニオンは材料ではなくデバイスを開発してきました。彼らはそれぞれの分野で世界のリーダーになって初めて、産業チェーンの上流と下流で徐々に発展し始めました。

したがって、私たちの企業に対する私のアドバイスは、できることをしっかりと行い、最善を尽くし、非の打ちどころのないことを行うことです。企業は最初から産業チェーンを考慮すべきではありません。分野を選択し、それを徹底的に実行し、その後、上流と下流への拡大を検討する必要があります。最初から一流の材料や装置を実現することは不可能です。したがって、企業のポジショニングは何なのか、まず明確にする必要があります。

記者：窒化ガリウムや炭化ケイ素は量産化を達成しました。ワイドバンドギャップ半導体分野において、未来を担う材料とは何でしょうか？

Hao Yue: 酸化ガリウムが最も有力な材料だと思います。これは窒化ガリウムや炭化ケイ素よりもバンドギャップが広く、4.6 ～ 4.8 電子ボルトに達します。私たちの現在の研究では、そのような材料が有望であることが示されています。

今後 10 年ほどで、酸化ガリウム デバイスは、今日の炭化ケイ素およびシリコン パワー デバイスと同様に、炭化ケイ素デバイスと直接競合する競争力のあるパワー エレクトロニクス デバイスになる可能性があります。

酸化ガリウムは、その後の研究の進み具合によっては、現在は入手できません。さらに、ダイヤモンド材料のバンドギャップは 5.4 電子ボルトです。中国では、この種の材料とデバイスの研究基盤は非常に優れていますが、この種の材料にはまだ多くの技術的困難があり、その工業化は非常に困難であり、今後10年間にどのような技術的ブレークスルーが行われるかにかかっています。年。私たちはたゆまぬ努力を続けてきたと言っても過言ではありません。

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