À medida que a densidade do transistor IC se aproxima do limite físico, torna-se cada vez mais difícil melhorar o desempenho do IC apenas melhorando o processo de fabricação. Em torno de como desenvolver a era pós-Moore da indústria de IC, o mundo está procurando ativamente por novas tecnologias, novos métodos e novos caminhos. A fim de promover ainda mais a inovação tecnológica e acelerar o desenvolvimento industrial dos circuitos integrados da China na era pós-Moore, a China Semiconductor Industry Association e a China Electronics News lançaram conjuntamente uma série de relatórios intitulada "Acadêmicos falam sobre a evolução da tecnologia no pós-Moore Era", que entrevistará acadêmicos de áreas afins para discutir a direção do desenvolvimento da indústria de semicondutores na era pós-Moore.

Atualmente, dispositivos e indústria de materiais semicondutores de banda larga (também conhecidos como semicondutores de terceira geração) estão sendo implantados no país e no exterior. Por que a indústria de semicondutores de banda larga ganhou o favor do mercado? Quais são as características, dificuldades e pontos problemáticos do processo de inscrição? Em que direção as indústrias relevantes deverão se desenvolver no futuro? Hao Yue compartilhou suas opiniões sobre os problemas atuais, dificuldades de desenvolvimento e direção de desenvolvimento futuro da indústria de semicondutores de banda larga.

Repórter: Em primeiro lugar, gostaria de pedir que você fizesse uma breve introdução ao semicondutor de banda larga. Quais são as características desse tipo de semicondutor e quais são suas aplicações na indústria?

Hao Yue: A característica mais óbvia do semicondutor de banda larga é sua largura de banda larga, que está mais próxima do isolante em termos de propriedades do material. Portanto, nitreto de gálio e carboneto de silício representados por este tipo de materiais semicondutores de banda larga, com alta intensidade de campo elétrico de ruptura, alta temperatura de operação, baixa resistência de condução do dispositivo, alta densidade de elétrons e outras vantagens, atualmente semicondutores de banda larga principalmente em três campos têm uma forte competitividade no mercado.

O primeiro são os dispositivos de RF, ou seja, dispositivos de ondas milimétricas de micro-ondas. Em comparação com materiais semicondutores, como arsenieto de gálio e silício, os dispositivos semicondutores de banda larga na banda milimétrica de micro-ondas têm eficiência de trabalho e potência de saída significativamente maiores e são adequados para dispositivos de energia de RF. Os dispositivos de RF para uso civil são usados ​​principalmente em comunicações móveis, incluindo comunicações 4G, 5G e 6G no futuro. Por exemplo, quase todas as estações base de comunicação móvel 4G e 5G recém-instaladas na China usam dispositivos de nitreto de gálio. Em particular, a estação base 5G adota o sistema de transceptor MIMO. Cada estação base transmite e recebe 64 canais e seu consumo de energia é mais de três vezes maior que o da estação base 4G. Além disso, a densidade da estação base é maior do que a da estação base 4G, por isso é quase impossível usar dispositivos de nitreto de gálio de alta eficiência. No futuro, a frequência de comunicação 6G será maior e o número de estações base será mais proeminente.

O segundo são os dispositivos eletrônicos de alta potência. Dispositivos eletrônicos de potência de alta potência e alta eficiência são necessários para dispositivos de carregamento rápido, sistemas de transmissão e transformação de energia, trânsito ferroviário, veículos elétricos e pilhas de carregamento. Sem dúvida, semicondutores de banda larga, especialmente carboneto de silício, o nitreto de gálio tem vantagens mais óbvias do que outros materiais semicondutores.

O terceiro são os dispositivos fotoelétricos. O semicondutor de banda larga tem vantagens óbvias, especialmente em dispositivos optoeletrônicos de comprimento de onda curto. A luz azul, por exemplo, agora usa nitreto de gálio para toda a iluminação semicondutora. Na luz violeta, na luz ultravioleta e até mesmo na luz amarela, a luz verde pode ser usada diretamente como materiais semicondutores de nitreto.

Claro, existem outras áreas de aplicação, como detectores, sensores e assim por diante, a aplicação é muito ampla.

Nota: De acordo com os dados, o tamanho do mercado de dispositivos semicondutores de banda larga tem mostrado uma tendência ascendente muito óbvia desde 2017. Na sua opinião, os semicondutores de banda larga têm potencial para ser uma tecnologia disruptiva na era pós-mourisca, e até que ponto eles substituirão o silício?

Hao Yue: Na era pós-Moore, os chips de circuito integrado de silício enfrentam grandes desafios em termos de integração e consumo de energia, o que retarda a lei de Moore de integração de chips a cada 18 meses. Portanto, novas soluções são buscadas, incluindo novas soluções de circuitos integrados 3D de silício e chips de sistema. Os chips de sistema também são chamados de Mais do que a Lei de Moore, que se refere à expansão contínua de circuitos integrados de silício para integração com outros materiais ou campos de aplicação para abrir novos mercados de aplicação.

Acho que os circuitos integrados de silício são altamente integrados com outros tipos de semicondutores, como semicondutores compostos e dispositivos de silício, aumentando os compostos em substratos de silício, o que é um campo muito interessante e muito promissor na era pós-Molar. É também uma direção importante para o desenvolvimento de dispositivos semicondutores de banda larga e circuitos integrados no futuro.

No entanto, é impossível que materiais semicondutores de banda larga substituam o silício. Mais de 90% dos circuitos integrados ainda utilizam semicondutores à base de silício, bem como células solares, que são feitas principalmente de silício. Dispositivos semicondutores de banda larga e circuitos integrados ocupam apenas uma pequena participação no mercado global de semicondutores, usados ​​principalmente em dispositivos de RF de alta potência, dispositivos eletrônicos de potência e dispositivos optoeletrônicos de comprimento de onda curto. O silício ainda é o material semicondutor dominante. Como os materiais de silício são difíceis de emitir luz e melhorar a potência de saída em altas frequências, os semicondutores de banda larga têm espaço de desenvolvimento independente e um enorme mercado de aplicações.

Repórter: que dificuldades ainda existem no processo de promoção de materiais e dispositivos semicondutores de banda larga da China para a indústria, quais são as razões para essas dificuldades e como resolvê-las?

Hao Yue: Atualmente, a indústria de semicondutores da China enfrenta um problema de "gargalo", principalmente em equipamentos e materiais essenciais. No entanto, em termos de equipamentos semicondutores de banda larga, atualmente alcançamos a localização na maioria dos campos, desde o crescimento de materiais, dispositivos e processos de circuito até equipamentos de embalagem de teste, o doméstico basicamente pode atender às necessidades. Apenas a litografia permaneceu sem solução. Na verdade, o processo de fotolitografia necessário para um semicondutor de banda larga, como o nitreto de gálio, não precisa ser muito avançado. Uma precisão de fotolitografia de 90 nanômetros é suficiente. Com o apoio de políticas nacionais relevantes, podemos alcançar esta tecnologia. A máquina de fotogravura desenvolvida com sucesso atualmente deve atingir uma produção em massa estável o mais rápido possível, e ainda precisamos fazer esforços nesse sentido. Podemos fazer bem pode tornar-se industrialização das coisas, temos de fazê-lo.

Repórter: alguns fabricantes dizem que atualmente em muitos campos de ponta, a produção doméstica de dispositivos semicondutores não consegue atender aos requisitos (como eficiência do dispositivo), por quê? Como resolver esses problemas?

Hao Yue: Alta condutividade térmica e baixa perda são vantagens inerentes aos semicondutores de banda larga. O problema é que não conseguimos aproveitar plenamente estas vantagens no desenvolvimento de produtos. Por exemplo, nitreto de gálio a uma frequência de 4 GHz de potência de saída de 100 W, a eficiência do dispositivo pode chegar a mais de 70%. Para outros materiais, pode chegar a 50% é bom, a alta eficiência é determinada pela natureza do material. Seja nitreto de gálio ou carboneto de silício, a eficiência dos semicondutores de banda larga é muito alta. Porém, na aplicação posterior dos dispositivos, é muito importante garantir a baixa perda de materiais em cada etapa.

Em dispositivos de carboneto de silício, por exemplo, após a conclusão da produção da embalagem, o atual básico falhou na embalagem do nosso dispositivo, de acordo com as características do dispositivo e deveria ter que fazer, ainda adotar o modo de dispositivos de encapsulamento de silício de alta potência, aumentou assim a perda de alta eficiência de semicondutores de banda larga e baixa perda foi tão encapsulamento, básico não tem efeito. Este é apenas um exemplo, e penso que há muito mais que pode ser feito em termos de adoção de tecnologia.

Repórter: Se a tecnologia de semicondutores de banda larga for ainda mais popularizada, ela poderá atender aos requisitos de alto desempenho, resistência a altas temperaturas e longa vida útil de dispositivos eletrônicos?

Hao Yue: Acho que isso pode ser completamente resolvido. Porque no semicondutor de banda larga, nossa tecnologia e indicadores de desenvolvimento de dispositivos estão basicamente sincronizados com os internacionais, e até mesmo alguns indicadores estão liderando. A questão é quão rapidamente estas tecnologias podem passar da investigação e desenvolvimento para a produção. Actualmente, muitos fabricantes nacionais não têm capacidade de I & D, o básico é levar a doutrina. Por exemplo, nosso Centro Nacional de Pesquisa de Engenharia de Semicondutores Wide Band Gap da Universidade Xidian desenvolveu muitos materiais de alto índice e tecnologias de dispositivos. No início, os fabricantes conseguiram construir o aparelho, mas foi difícil inovar com base nisso. Nosso país acredita que as empresas são o principal órgão da inovação. Se as empresas apenas utilizarem a tecnologia, mas não inovarem, por melhor que seja a tecnologia, ela não poderá ser continuamente transformada em forças produtivas. Actualmente, muitas empresas têm investimentos muito limitados em INVESTIGAÇÃO e desenvolvimento, e o principal investimento em investigação e desenvolvimento ainda depende do Estado.

Em comparação, a Intel gasta mais de US$ 10 bilhões por ano em pesquisa e desenvolvimento de empresas líderes de semicondutores. As empresas chinesas devem melhorar a sua capacidade de inovação e também encontrar formas de aumentar o investimento em I&D.

Repórter: Entende-se que universidades e institutos de pesquisa são avaliados principalmente pela publicação de artigos. Este sistema de avaliação pode dificultar a cooperação estreita entre universidades e indústrias. Que papéis devem as escolas e as empresas desempenhar, respetivamente, na aliança universidade-empresa?

Hao Yue: A investigação das universidades e dos institutos nacionais de investigação deve visar a fronteira da ciência e tecnologia mundial. Não há dúvida sobre isso. Uma das tarefas das universidades e institutos de pesquisa é explorar coisas comuns e buscar constantemente coisas novas. Isto é verdade não apenas nas universidades chinesas, mas em universidades de todo o mundo. Portanto, penso que é correcto atribuir importância à publicação de artigos, especialmente em conferências académicas e revistas académicas. Cientistas e cientistas devem enfrentar as fronteiras da ciência e da tecnologia, e a missão dos cientistas é perseguir objetivos mais elevados.

Deverão as realizações da investigação científica das faculdades e universidades ser rapidamente transformadas em verdadeiras forças produtivas? Eu acho que certamente é. Mas como garantir que os resultados da investigação das faculdades e universidades possam ser transformados em produtividade real? Há uma tendência dos professores dirigirem diretamente as empresas, o que considero também questionável. É muito difícil para um professor conseguir enfrentar tanto a fronteira tecnológica quanto o principal campo de batalha econômico.

Então, como resolver esse grupo de contradições? Na minha opinião, confiar na combinação da indústria, da universidade e da investigação para melhorar as capacidades de INVESTIGAÇÃO e desenvolvimento da própria empresa é a chave para resolver o problema. Portanto, como concretizar a empresa como o principal órgão de inovação, isso é algo que devemos fazer esforços concertados.

Repórter: Algumas grandes empresas internacionais, como Clarie e Infineon, cobriram basicamente toda a cadeia da indústria com suas tecnologias, desde substratos, dispositivos até aplicações. Se as empresas nacionais competem com essas empresas e desejam formar competitividade no campo de alta tecnologia, como deveriam fazê-lo?

Hao Yue: A empresa Kerui é especializada em materiais semicondutores de carboneto de silício no início da empresa, fazendo materiais completamente. À medida que o material cresceu, começou a fabricar dispositivos, LEDs azuis verticais de alta potência e, em seguida, eletrônicos. A Infineon tem feito dispositivos, não materiais. Só depois de se tornarem líderes mundiais nos seus próprios campos é que começaram gradualmente a desenvolver-se para cima e para baixo na cadeia industrial.

Portanto, para as nossas empresas, o meu conselho é fazer o que podemos fazer bem, fazer o melhor, fazer de forma impecável. Uma empresa não deve considerar a cadeia industrial logo no início. Deve escolher um campo, fazê-lo ao extremo e depois considerar a expansão a montante e a jusante. É impossível obter materiais e dispositivos de primeira classe no início. Então, qual é o posicionamento da empresa deve ficar claro primeiro.

Repórter: O nitreto de gálio e o carboneto de silício alcançaram produção em massa. No campo dos semicondutores de banda larga, quais são os materiais que o futuro enfrenta?

Hao Yue: Acho que o óxido de gálio é o material mais provável, que tem um band gap mais amplo do que o nitreto de gálio e o carboneto de silício, atingindo 4.6 ~ 4.8 elétron-volts. Nossa pesquisa atual mostra que tais materiais são promissores.

Na próxima década, os dispositivos de óxido de gálio provavelmente se tornarão dispositivos eletrônicos de potência competitivos que competirão diretamente com os dispositivos de carboneto de silício, assim como o são hoje os dispositivos de carboneto de silício e de potência de silício.

O óxido de gálio não está disponível no momento, dependendo do progresso de pesquisas subsequentes. Além disso, o band gap do material diamantado é de 5.4 elétron-volts. A base de pesquisa desse tipo de material e dispositivo é muito boa na China, mas ainda existem muitas dificuldades técnicas nesse tipo de material e sua industrialização é bastante difícil, o que depende de que tipo de avanço tecnológico será feito nos próximos 10 anos. É justo dizer que temos trabalhado incansavelmente.

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