W miarę jak gęstość tranzystorów IC zbliża się do fizycznej granicy, poprawa wydajności IC wyłącznie poprzez usprawnienie procesu produkcyjnego staje się coraz trudniejsza. Wokół tego, jak rozwijać post-Moore'owską erę przemysłu układów scalonych, świat aktywnie poszukuje nowych technologii, nowych metod i nowych ścieżek. W celu dalszego promowania innowacji technologicznych i przyspieszenia rozwoju przemysłowego chińskich układów scalonych w epoce post-Moore’a, China Semiconductor Industry Association i China Electronics News wspólnie opublikowały serię raportów zatytułowanych „Naukowcy mówią o ewolucji technologii w erze post-Moore’a Era”, w którym przeprowadzone zostaną wywiady z naukowcami z pokrewnych dziedzin, aby omówić kierunek rozwoju przemysłu półprzewodników w epoce post-Moore’a.

Obecnie urządzenia i materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej (znane również jako półprzewodniki trzeciej generacji) są wdrażane w kraju i za granicą. Dlaczego przemysł półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej zyskał przychylność rynku? Jakie są cechy charakterystyczne, trudności i bolesne punkty procesu aplikacyjnego? W jakim kierunku powinny rozwijać się odpowiednie branże w przyszłości? Hao Yue podzielił się swoimi poglądami na temat bieżących problemów, trudności rozwojowych i przyszłego kierunku rozwoju branży półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej.

Reporter: Na początek chciałbym prosić o krótkie wprowadzenie w temat półprzewodników szerokopasmowych. Jaka jest charakterystyka tego rodzaju półprzewodników i jakie są jego zastosowania w przemyśle?

Hao Yue: Najbardziej oczywistą cechą półprzewodnika o szerokiej przerwie energetycznej jest jego szerokość pasma wzbronionego, która pod względem właściwości materiału jest bliższa izolatorowi. Dlatego azotek galu i węglik krzemu reprezentowane przez tego rodzaju materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej, o dużym natężeniu pola elektrycznego przebicia, wysokiej temperaturze roboczej, niskiej rezystancji przewodzenia urządzenia, wysokiej gęstości elektronowej i innych zaletach, obecnie półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej głównie w trzech polach mają silną konkurencyjność rynkową.

Pierwszą z nich są urządzenia RF, czyli urządzenia mikrofalowe wykorzystujące fale milimetrowe. W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi, takimi jak arsenek galu i krzem, urządzenia półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej w mikrofalowym paśmie milimetrowym mają znacznie wyższą wydajność roboczą i moc wyjściową i nadają się do urządzeń zasilanych w paśmie RF. Urządzenia RF do użytku cywilnego są wykorzystywane głównie w komunikacji mobilnej, w tym w przyszłości w komunikacji 4G, 5G i 6G. Na przykład nowo zainstalowane stacje bazowe komunikacji mobilnej 4G i 5G w Chinach prawie wszystkie wykorzystują urządzenia z azotku galu. W szczególności stacja bazowa 5G wykorzystuje system nadawczo-odbiorczy MIMO. Każda stacja bazowa nadaje i odbiera 64 kanały, a jej zużycie energii jest ponad trzykrotnie większe niż w przypadku stacji bazowej 4G. Co więcej, gęstość stacji bazowej jest większa niż gęstość stacji bazowej 4G, więc zastosowanie wysokowydajnych urządzeń z azotku galu jest prawie niemożliwe. W przyszłości częstotliwość komunikacji 6G będzie wyższa, a liczba stacji bazowych będzie bardziej widoczna.

Drugie to urządzenia elektroniczne dużej mocy. Urządzenia energoelektroniczne o dużej mocy i wysokiej sprawności są potrzebne w urządzeniach szybkiego ładowania, systemach przesyłu i transformacji energii, transporcie kolejowym, pojazdach elektrycznych i słupach ładujących. Bez wątpienia półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, zwłaszcza węglik krzemu i azotek galu, mają bardziej oczywiste zalety niż inne materiały półprzewodnikowe.

Trzeci to urządzenia fotoelektryczne. Półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej ma oczywiste zalety, zwłaszcza w urządzeniach optoelektronicznych o krótkich falach. Na przykład niebieskie światło wykorzystuje teraz azotek galu do oświetlenia półprzewodników. W świetle fioletowym, ultrafioletowym, a nawet żółtym, zielone światło można bezpośrednio wykorzystać jako azotkowe materiały półprzewodnikowe.

Oczywiście istnieją inne obszary zastosowań, takie jak detektory, czujniki itd., zastosowanie jest bardzo szerokie.

Uwaga: według danych wielkość rynku urządzeń półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej wykazuje bardzo wyraźną tendencję wzrostową od 2017 r. Czy Twoim zdaniem półprzewodniki szerokopasmowe mają potencjał, aby stać się przełomową technologią w epoce post-mauretańskiej? i w jakim stopniu zastąpią krzem?

Hao Yue: W erze post-Moore'a krzemowe układy scalone stoją przed wielkimi wyzwaniami w zakresie integracji i zużycia energii, co spowalnia prawo Moore'a dotyczące integracji chipów co 18 miesięcy. Dlatego też poszukuje się nowych rozwiązań, w tym nowych rozwiązań krzemowych układów scalonych 3D i chipów systemowych. Chipy systemowe są również nazywane prawem Moore’a i odnoszą się do ciągłego rozwoju krzemowych układów scalonych w celu integracji z innymi materiałami lub obszarami zastosowań w celu otwarcia nowych rynków zastosowań.

Myślę, że krzemowe układy scalone są wysoce zintegrowane z innymi typami półprzewodników, takimi jak półprzewodniki złożone i urządzenia krzemowe, hodujące związki na podłożach krzemowych, co jest bardzo interesującą i bardzo obiecującą dziedziną w erze postmolarnej. Jest to także ważny kierunek rozwoju w przyszłości urządzeń półprzewodnikowych i układów scalonych o szerokiej przerwie energetycznej.

Jednakże materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej nie są w stanie zastąpić krzemu. Ponad 90% układów scalonych nadal wykorzystuje półprzewodniki na bazie krzemu, a także ogniwa słoneczne, które są wykonane głównie z krzemu. Urządzenia półprzewodnikowe i układy scalone o szerokiej przerwie energetycznej zajmują jedynie niewielki udział w światowym rynku półprzewodników, stosowanych głównie w urządzeniach RF dużej mocy, urządzeniach energoelektronicznych i urządzeniach optoelektronicznych o krótkiej długości fali. Krzem jest nadal dominującym materiałem półprzewodnikowym. Ponieważ materiały krzemowe trudno emitują światło i poprawiają moc wyjściową przy wysokich częstotliwościach, półprzewodniki szerokopasmowe mają niezależną przestrzeń rozwojową i ogromny rynek zastosowań.

Reporter: Jakie trudności nadal występują w procesie promowania chińskich materiałów i urządzeń półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej w przemyśle, jakie są przyczyny tych trudności i jak je rozwiązać?

Hao Yue: Obecnie chiński przemysł półprzewodników boryka się z problemem „wąskich gardeł”, głównie w zakresie kluczowego sprzętu i materiałów. Jednakże, jeśli chodzi o sprzęt półprzewodnikowy z szeroką przerwą wzbronioną, udało nam się obecnie zlokalizować w większości dziedzin, od wzrostu materiału, procesu urządzeń i obwodów po testowanie sprzętu do pakowania, domowe w zasadzie mogą zaspokoić potrzeby. Nierozwiązana pozostała jedynie litografia. W rzeczywistości proces fotolitografii wymagany w przypadku półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak azotek galu, nie musi być bardzo zaawansowany. Dokładność fotolitografii rzędu 90 nanometrów jest wystarczająca. Przy wsparciu odpowiednich polityk krajowych możemy osiągnąć tę technologię. Opracowana obecnie z sukcesem maszyna do fotograwerowania powinna jak najszybciej osiągnąć stabilną produkcję masową, a w tym zakresie nadal musimy podejmować wysiłki. Możemy zrobić dobrze, może stać się industrializacją rzeczy, musimy to zrobić.

Reporter: niektórzy producenci twierdzą, że obecnie w wielu najnowocześniejszych dziedzinach krajowa produkcja urządzeń półprzewodnikowych nie jest w stanie spełnić wymagań (takich jak wydajność urządzeń), dlaczego? Jak rozwiązać te problemy?

Hao Yue: Wysoka przewodność cieplna i niskie straty to nieodłączne zalety półprzewodników szerokopasmowych. Problem w tym, że nie udało nam się w pełni wykorzystać tych zalet przy opracowywaniu produktu. Na przykład azotek galu przy częstotliwości 4 GHz i mocy wyjściowej 100 W, wydajność urządzenia może osiągnąć ponad 70%. W przypadku innych materiałów może osiągnąć 50%, co jest dobre, wysoka wydajność zależy od charakteru materiału. Niezależnie od tego, czy jest to azotek galu, czy węglik krzemu, wydajność półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej jest bardzo wysoka. Jednak w późniejszym zastosowaniu urządzeń bardzo ważne jest zapewnienie niskich strat materiałów na każdym etapie.

Na przykład w urządzeniu z węglika krzemu, po zakończeniu produkcji opakowań, obecne podstawowe opakowanie naszego urządzenia zawiodło, zgodnie z charakterystyką urządzenia i powinno wystarczyć, nadal przyjmować tryb hermetyzacji krzemu w urządzeniach dużej mocy, w ten sposób zwiększono straty półprzewodników o szerokiej przerwie wzbronionej, wysoką wydajność i niskie straty, więc hermetyzacja nie miała żadnego efektu. To tylko jeden przykład i myślę, że można zrobić o wiele więcej, jeśli chodzi o przyjęcie technologii.

Reporter: Czy w przypadku dalszej popularyzacji technologii półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej spełni ona najwyższe wymagania dotyczące wysokiej wydajności, odporności na wysoką temperaturę i długiej żywotności urządzeń elektronicznych?

Hao Yue: Myślę, że można to całkowicie rozwiązać. Ponieważ w półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej nasza technologia opracowywania urządzeń i wskaźniki są zasadniczo zsynchronizowane z międzynarodowymi, a nawet niektóre wskaźniki są wiodące. Pytanie brzmi, jak szybko te technologie mogą przejść od badań i rozwoju do produkcji. Obecnie wielu krajowych producentów nie ma zdolności badawczo-rozwojowych, podstawą jest przyjęcie doktryny. Na przykład nasze Narodowe Centrum Badań nad Inżynierią Półprzewodników Szerokopasmowych na Uniwersytecie Xidian opracowało wiele materiałów i technologii urządzeń o wysokim indeksie. Początkowo producenci byli w stanie zbudować urządzenie, ale na tej podstawie trudno było wprowadzać innowacje. W naszym kraju uważa się, że głównym korpusem innowacji są przedsiębiorstwa. Jeśli przedsiębiorstwa po prostu korzystają z technologii, ale nie wprowadzają innowacji, niezależnie od tego, jak dobra jest ta technologia, nie można jej w sposób ciągły przekształcać w siły produkcyjne. Obecnie wiele przedsiębiorstw inwestuje w BADANIA i rozwój bardzo ograniczone, a główne inwestycje w badania i rozwój w dalszym ciągu zależą od państwa.

Dla porównania, Intel wydaje ponad 10 miliardów dolarów rocznie na badania i rozwój wiodących firm produkujących półprzewodniki. Chińskie przedsiębiorstwa powinny poprawić swój potencjał innowacyjny, a także znaleźć sposoby na zwiększenie inwestycji w badania i rozwój.

Reporter: Rozumie się, że uniwersytety i instytuty badawcze są oceniane głównie na podstawie publikacji artykułów. Taki system oceny może utrudniać ścisłą współpracę uniwersytetów i przemysłu. Jakie role powinny odgrywać odpowiednio szkoły i przedsiębiorstwa w sojuszu uczelni z przedsiębiorstwami?

Hao Yue: Badania uniwersytetów i krajowych instytutów badawczych muszą zmierzać do pogranicza światowej nauki i technologii. Nie ma co do tego wątpliwości. Jednym z zadań uniwersytetów i instytutów badawczych jest odkrywanie rzeczy zwykłych i ciągłe poszukiwanie nowych. Dzieje się tak nie tylko na chińskich uniwersytetach, ale na uniwersytetach na całym świecie. Dlatego uważam, że słuszne jest przywiązywanie wagi do publikowania artykułów, zwłaszcza na konferencjach naukowych i w czasopismach akademickich. Naukowcy i naukowcy powinni mierzyć się z granicami nauki i technologii, a misją naukowców jest dążenie do wyższych celów.

Czy osiągnięcia naukowo-badawcze szkół wyższych należy szybko przekształcić w realne siły wytwórcze? Myślę, że z pewnością tak. Ale jak zapewnić, że wyniki badań szkół wyższych i uniwersytetów można przełożyć na rzeczywistą produktywność? Istnieje tendencja, aby profesorowie bezpośrednio zarządzali firmami, co również moim zdaniem jest wątpliwe. Profesorowi bardzo trudno jest stawić czoła zarówno pogranicza technologicznemu, jak i głównemu polu bitwy gospodarczej.

Jak zatem rozwiązać tę grupę sprzeczności? Moim zdaniem kluczem do rozwiązania problemu jest oparcie się na połączeniu przemysłu, uczelni i badań w celu poprawy własnych możliwości BADAWCZO-rozwojowych przedsiębiorstwa. Dlatego też, jak zrealizować przedsiębiorstwo jako główny korpus innowacji, powinniśmy podjąć wspólne wysiłki.

Reporter: Niektóre duże międzynarodowe firmy, takie jak Clarie i Infineon, w zasadzie objęły swoimi technologiami cały łańcuch branżowy, od substratów, urządzeń po aplikacje. Jeśli przedsiębiorstwa krajowe konkurują z takimi przedsiębiorstwami i chcą kształtować konkurencyjność w branży high-end, jak powinny to zrobić?

Hao Yue: Firma Kerui na początku swojej działalności specjalizowała się w materiałach półprzewodnikowych z węglika krzemu, całkowicie zajmowała się materiałami. W miarę narastania materiału zaczęto wytwarzać urządzenia, pionowe niebieskie diody LED dużej mocy, a następnie elektronikę. Infineon tworzy urządzenia, a nie materiały. Dopiero gdy stali się światowymi liderami w swoich dziedzinach, zaczęli stopniowo rozwijać się w górę i w dół łańcucha przemysłowego.

Dlatego też moja rada dla naszych przedsiębiorstw jest taka, aby robić to, co potrafimy dobrze, najlepiej jak potrafimy, działać nienagannie. Przedsiębiorstwo nie powinno na samym początku myśleć o łańcuchu przemysłowym. Powinien wybrać dziedzinę, posunąć się do skrajności, a następnie rozważyć ekspansję w górę i w dół rzeki. Nie da się na początku osiągnąć pierwszorzędnych materiałów i urządzeń. Zatem jaka jest pozycja przedsiębiorstwa, powinno być najpierw jasne.

Reporter: Azotek galu i węglik krzemu osiągnęły masową produkcję. Jakie materiały stoją przed przyszłością w dziedzinie półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej?

Hao Yue: Myślę, że najbardziej prawdopodobnym materiałem jest tlenek galu, który ma szersze pasmo wzbronione niż azotek galu i węglik krzemu, osiągające 4.6–4.8 elektronowoltów. Nasze obecne badania pokazują, że takie materiały są obiecujące.

Mniej więcej w ciągu następnej dekady urządzenia z tlenku galu staną się prawdopodobnie konkurencyjnymi urządzeniami energoelektroniki, które będą bezpośrednio konkurować z urządzeniami z węglika krzemu, tak jak obecnie są urządzenia z węglika krzemu i krzemu.

Tlenek galu nie jest obecnie dostępny, w zależności od postępu kolejnych badań. Ponadto pasmo wzbronione materiału diamentowego wynosi 5.4 elektronowoltów. Baza badawcza tego rodzaju materiałów i urządzeń jest w Chinach bardzo dobra, jednak nadal istnieje wiele trudności technicznych związanych z tego rodzaju materiałem, a jego uprzemysłowienie jest dość trudne, co zależy od tego, jaki przełom technologiczny nastąpi w ciągu najbliższych 10 lat lata. Można śmiało powiedzieć, że pracowaliśmy niestrudzenie.

Zastrzeżenie: ten artykuł został przedrukowany z „China Electronic News”, artykuł ten przedstawia jedynie osobiste poglądy autora, nie reprezentuje poglądów Sakwei i branży, można go jedynie przedrukować i udostępnić, wspierać ochronę praw własności intelektualnej, proszę wskazać oryginalne źródło i autor. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia.