Поскольку плотность транзисторов ИС приближается к физическому пределу, становится все труднее улучшить производительность ИС исключительно за счет улучшения производственного процесса. Вокруг того, как развивать индустрию ИС после Мура, мир активно ищет новые технологии, новые методы и новые пути. В целях дальнейшего продвижения технологических инноваций и ускорения промышленного развития китайских интегральных схем в эпоху после Мура, Китайская ассоциация полупроводниковой промышленности и China Electronics News совместно запустили серию докладов под названием «Академики говорят об эволюции технологий в эпоху после Мура». Эра», в ходе которого будут взяты интервью у академиков в смежных областях, чтобы обсудить направление развития полупроводниковой промышленности в эпоху после Мура.

В настоящее время полупроводниковые устройства и материалы с широкой запрещенной зоной (также известные как полупроводники третьего поколения) используются в стране и за рубежом. Почему полупроводниковая промышленность с широкой запрещенной зоной завоевала благосклонность рынка? Каковы особенности, трудности и болевые точки в процессе подачи заявления? В каком направлении должны развиваться соответствующие отрасли в будущем? Хао Юэ поделился своими взглядами на текущие проблемы, трудности развития и будущее направление развития широкозонной полупроводниковой промышленности.

Репортер: Прежде всего, я хотел бы попросить вас кратко рассказать о широкозонных полупроводниках. Каковы характеристики этого типа полупроводника и каковы его применения в промышленности?

Хао Юэ: Наиболее очевидной особенностью широкозонного полупроводника является его широкая запрещенная зона, которая по свойствам материала ближе к изолятору. Таким образом, нитрид галлия и карбид кремния, представленные такими полупроводниковыми материалами с широкой запрещенной зоной, с высокой напряженностью электрического поля пробоя, высокой рабочей температурой, низким сопротивлением проводимости устройства, высокой плотностью электронов и другими преимуществами, в настоящее время широкозонные полупроводники в основном в трех областях. иметь сильную рыночную конкурентоспособность.

Первое – это радиочастотные устройства, а именно СВЧ-устройства миллиметрового диапазона. По сравнению с полупроводниковыми материалами, такими как арсенид галлия и кремний, полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной в микроволновом миллиметровом диапазоне имеют значительно более высокий рабочий КПД и выходную мощность и подходят для высокочастотных силовых устройств. Радиочастотные устройства гражданского назначения в основном используются в мобильной связи, включая в будущем связь 4G, 5G и 6G. Например, почти все недавно установленные базовые станции мобильной связи 4G и 5G в Китае используют устройства на основе нитрида галлия. В частности, базовая станция 5G использует систему трансивера MIMO. Каждая базовая станция передает и принимает 64 канала, а ее энергопотребление более чем в три раза превышает энергопотребление базовой станции 4G. Более того, плотность базовой станции выше, чем у базовой станции 4G, поэтому использовать высокоэффективные устройства на нитриде галлия практически невозможно. В будущем частота связи 6G будет выше, а количество базовых станций станет более заметным.

Второе — мощные электронные устройства. Мощные и высокоэффективные силовые электронные устройства необходимы для устройств быстрой зарядки, систем передачи и преобразования энергии, железнодорожного транспорта, электромобилей и зарядных станций. Без сомнения, широкозонные полупроводники, особенно карбид кремния, нитрид галлия имеют более очевидные преимущества, чем другие полупроводниковые материалы.

Третье — фотоэлектрические устройства. Полупроводник с широкой запрещенной зоной имеет очевидные преимущества, особенно в коротковолновых оптоэлектронных устройствах. Например, в синем свете теперь используется нитрид галлия для всех полупроводниковых источников освещения. В фиолетовом, ультрафиолетовом и даже желтом свете зеленый свет можно напрямую использовать в качестве нитридных полупроводниковых материалов.

Конечно, есть и другие области применения, такие как детекторы, датчики и т. д. Область применения очень широка.

Примечание. Согласно данным, размер рынка полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной демонстрирует очень очевидную тенденцию к росту с 2017 года. По вашему мнению, могут ли широкозонные полупроводники стать прорывной технологией в постмавританскую эпоху? и насколько они заменят кремний?

Хао Юэ: В эпоху после Мура кремниевые интегральные схемы сталкиваются с серьезными проблемами с точки зрения интеграции и энергопотребления, что замедляет действие закона Мура об интеграции микросхем каждые 18 месяцев. Поэтому ведется поиск новых решений, в том числе новых решений в области кремниевых 3D-интегральных схем и системных чипов. Системные чипы также называют «Больше, чем закон Мура», который относится к постоянному расширению кремниевых интегральных схем для интеграции с другими материалами или областями применения с целью открытия новых рынков приложений.

Я думаю, что кремниевые интегральные схемы хорошо интегрированы с другими типами полупроводников, такими как составные полупроводники и кремниевые устройства, выращивание соединений на кремниевых подложках, что является очень интересной и очень многообещающей областью в постмолярную эпоху. Это также важное направление для разработки широкозонных полупроводниковых приборов и интегральных схем в будущем.

Однако широкозонные полупроводниковые материалы не могут заменить кремний. Более 90% интегральных схем по-прежнему используют полупроводники на основе кремния, а также солнечные элементы, которые в основном изготавливаются из кремния. Полупроводниковые устройства и интегральные схемы с широкой запрещенной зоной занимают лишь небольшую долю на мировом рынке полупроводников и в основном используются в мощных радиочастотных устройствах, устройствах силовой электроники и коротковолновых оптоэлектронных устройствах. Кремний по-прежнему остается доминирующим полупроводниковым материалом. Поскольку кремниевые материалы с трудом излучают свет и улучшают выходную мощность на высоких частотах, широкополосные полупроводники имеют независимое пространство для разработки и огромный рынок приложений.

Репортер: какие трудности все еще существуют в процессе продвижения широкозонных полупроводниковых материалов и устройств Китая в промышленность, каковы причины этих трудностей и как их решить?

Хао Юэ: В настоящее время китайская полупроводниковая промышленность сталкивается с «узким местом», главным образом в ключевом оборудовании и материалах. Однако, что касается полупроводникового оборудования с широкой запрещенной зоной, в настоящее время мы добились локализации в большинстве областей: от выращивания материалов, процессов устройства и схем до тестирования упаковочного оборудования, отечественное оборудование в основном может удовлетворить потребности. Неразгаданной осталась только литография. Фактически, процесс фотолитографии, необходимый для полупроводника с широкой запрещенной зоной, такого как нитрид галлия, не должен быть очень сложным. Достаточно точности фотолитографии 90 нанометров. При поддержке соответствующей национальной политики мы можем достичь этой технологии. Фотогравировальный станок, успешно разработанный в настоящее время, должен как можно скорее выйти на стабильное массовое производство, и нам еще предстоит приложить усилия в этом отношении. Мы можем преуспеть в индустриализации вещей, мы должны это сделать.

Репортер: некоторые производители говорят, что в настоящее время во многих передовых областях отечественное производство полупроводниковых устройств не может удовлетворить требования (например, эффективность устройства), почему? Как решить эти проблемы?

Хао Юэ: Высокая теплопроводность и низкие потери являются неотъемлемыми преимуществами широкополосных полупроводников. Проблема в том, что нам не удалось в полной мере использовать эти преимущества при разработке продукта. Например, нитрид галлия на частоте 4 ГГц и выходной мощности 100 Вт, эффективность устройства может достигать более 70%. Для других материалов может достигать 50%, высокая эффективность определяется природой материала. Будь то нитрид галлия или карбид кремния, эффективность широкозонных полупроводников очень высока. Однако при последующем применении устройств очень важно обеспечить низкие потери материалов на каждом этапе.

В устройстве из карбида кремния, например, после завершения производства упаковки текущая базовая упаковка нашего устройства не удалась, в соответствии с характеристиками устройства и должна была сделать, по-прежнему использовать режим мощных устройств кремниевой инкапсуляции, таким образом, увеличились потери полупроводников с широкой запрещенной зоной, высокая эффективность и низкие потери были настолько инкапсуляционными, что основные не имели никакого эффекта. Это всего лишь один пример, и я думаю, что можно сделать гораздо больше с точки зрения внедрения технологий.

Репортер: Если полупроводниковая технология с широкой запрещенной зоной будет и дальше популяризироваться, сможет ли она удовлетворить высокие требования к высокой производительности, высокой термостойкости и длительному сроку службы электронных устройств?

Хао Юэ: Я думаю, что эту проблему можно полностью решить. Потому что в полупроводниках с широкой запрещенной зоной наши технологии и индикаторы разработки устройств в основном синхронизированы с международными, и даже некоторые индикаторы являются ведущими. Вопрос в том, насколько быстро эти технологии смогут перейти от исследований и разработок к производству. В настоящее время многие отечественные производители сами не обладают способностью к исследованиям и разработкам, основным является принятие доктрины. Например, наш Национальный инженерный исследовательский центр полупроводников с широкой запрещенной зоной при Университете Сидиан разработал множество высокоэффективных материалов и технологий устройств. Поначалу производители могли создать это устройство, но внедрять инновации на этой основе было сложно. В нашей стране считают, что предприятия являются основным органом инноваций. Если предприятия просто используют технологии, но не внедряют инновации, независимо от того, насколько хороши технологии, они не могут непрерывно трансформироваться в производительные силы. В настоящее время многие предприятия имеют весьма ограниченные инвестиции в НИОКР, а основные инвестиции в НИОКР по-прежнему зависят от государства.

Для сравнения, Intel тратит более 10 миллиардов долларов в год на исследования и разработки ведущих полупроводниковых компаний. Китайским предприятиям следует улучшить свой инновационный потенциал, а также найти способы увеличения инвестиций в НИОКР.

Репортер: Понятно, что университеты и научно-исследовательские институты в основном оцениваются по публикации статей. Такая система оценки может затруднить тесное сотрудничество университетов и отраслей. Какую роль должны играть школы и предприятия соответственно в альянсе университетов и предприятий?

Хао Юэ: Исследования университетов и национальных исследовательских институтов должны быть направлены на передовые рубежи мировой науки и технологий. В этом нет никаких сомнений. Одна из задач университетов и научно-исследовательских институтов — исследовать привычные вещи и постоянно заниматься чем-то новым. Это верно не только для китайских университетов, но и для университетов по всему миру. Поэтому я считаю правильным придавать большое значение публикации статей, особенно на научных конференциях и в научных журналах. Ученые и учёные должны выйти на передовые рубежи науки и техники, а миссия учёных – преследовать более высокие цели.

Следует ли быстро превратить научно-исследовательские достижения вузов и университетов в реальные производительные силы? Я думаю, что это определенно так. Но как обеспечить, чтобы результаты исследований колледжей и университетов могли быть преобразованы в реальную производительность? Существует тенденция профессоров напрямую управлять компаниями, что, на мой взгляд, тоже сомнительно. Профессору очень сложно одновременно противостоять технологическому фронтиру и главному полю экономической битвы.

Как же решить эту группу противоречий? По моему мнению, ключом к решению проблемы является использование сочетания промышленности, университетов и исследований для улучшения собственных возможностей предприятия в области исследований и разработок. Таким образом, как реализовать предприятие как основной орган инноваций, это то, над чем мы должны приложить согласованные усилия.

Репортер: Некоторые крупные международные компании, такие как Clarie и Infineon, практически охватили своими технологиями всю отраслевую цепочку: от подложек, устройств до приложений. Если отечественные предприятия конкурируют с такими предприятиями и хотят сформировать конкурентоспособность в высокотехнологичной сфере, что им следует делать?

Хао Юэ: Компания Kerui специализируется на полупроводниковых материалах из карбида кремния в начале компании, полностью занимаясь материалами. По мере того, как материал разрастался, из него стали делать устройства, вертикальные мощные синие светодиоды, а затем и электронику. Infineon занимается производством устройств, а не материалов. Только после того, как они стали мировыми лидерами в своих областях, они постепенно начали развиваться вверх и вниз по производственной цепочке.

Поэтому моим предприятиям я советую делать то, что мы можем делать хорошо, делать лучше, делать безупречно. Предприятие не должно учитывать производственную цепочку в самом начале. Ему следует выбрать область, сделать это до крайности, а затем рассмотреть возможность расширения вверх и вниз по течению. Вначале невозможно добиться первоклассных материалов и устройств. Итак, в первую очередь должно быть ясно, каково позиционирование предприятия.

Репортер: Нитрид галлия и карбид кремния достигли массового производства. Какие материалы ждут будущее в области полупроводников с широкой запрещенной зоной?

Хао Юэ: Я думаю, что оксид галлия — наиболее вероятный материал, у которого ширина запрещенной зоны шире, чем у нитрида галлия и карбида кремния, и достигает 4.6–4.8 электронвольта. Наши текущие исследования показывают, что такие материалы перспективны.

Примерно в следующем десятилетии устройства на основе оксида галлия, вероятно, станут конкурентоспособными устройствами силовой электроники, которые будут напрямую конкурировать с устройствами из карбида кремния, так же, как это делают сегодня устройства из карбида кремния и кремниевые силовые устройства.

Оксид галлия в настоящее время недоступен, в зависимости от хода последующих исследований. Кроме того, ширина запрещенной зоны алмазного материала составляет 5.4 электронвольта. Исследовательская база такого рода материалов и устройств в Китае очень хороша, но с этим материалом все еще существует много технических трудностей, и его индустриализация довольно сложна, что зависит от того, какой технологический прорыв будет сделан в ближайшие 10 лет. годы. Справедливо сказать, что мы работали не покладая рук.

Отказ от ответственности: эта статья перепечатана из «China Electronic News», эта статья представляет только личные взгляды автора, не отражает взгляды Саквея и отрасли, только для перепечатки и распространения, поддержки защиты прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, укажите первоначальный источник и автор, если есть нарушение, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить.