Lời tựa của Tổng biên tập

Năm 2020, chúng ta cùng nhau trải qua đại dịch COVID-19 toàn cầu. Gần 2 triệu người đã ra đi lặng lẽ. Tôn trọng sự sống, tôn trọng khoa học và đoàn kết chống dịch đã trở thành sự đồng thuận quốc tế. Việc phong tỏa Vũ Hán, lũ lụt dữ dội trên sông Dương Tử, cháy rừng ở Úc, nạn châu chấu ở châu Phi và sự bùng phát các cuộc chiến tranh khốc liệt ở khu vực Nagorno-Karabakh đều còn in đậm trong tâm trí chúng ta. Có thể nói năm 2020 là một năm đầy thảm họa; nhưng đó không phải là tất cả. Năm 2020, chúng ta cũng chứng kiến ​​việc ký kết Hiệp định Hợp tác Thương mại Tự do Khu vực RCEP giữa 15 quốc gia châu Á - Thái Bình Dương, thúc đẩy niềm tin kinh tế thế giới, SpaceX đạt được chuyến bay vũ trụ có người lái thương mại đầu tiên và sứ mệnh Chang'e-5 hoàn thành xuất sắc. Trong thời điểm nền kinh tế thế giới bị ảnh hưởng nghiêm trọng, Trung Quốc trở thành nền kinh tế lớn duy nhất đạt được tăng trưởng dương. Là động lực thúc đẩy phục hồi kinh tế, ngành công nghiệp bán dẫn cũng đã mạnh dạn gánh vác trách nhiệm của mình trong năm 2020 và đạt được những kết quả ấn tượng: trong năm 5G, chip 5nm 5G đã được ra mắt mạnh mẽ, và Apple đã cho ra mắt A14 Bionic sử dụng quy trình 5nm của TSMC, tích hợp 11.8 tỷ bóng bán dẫn. Kể từ đó, Huawei và Samsung cũng đã cho ra mắt dòng Kirin 9000 và Exynos 1080. Việc nghiên cứu và triển khai EDA trên nền tảng đám mây, sự hợp tác và thúc đẩy của các nhà cung cấp phần mềm EDA, các công ty thiết kế IC và các xưởng đúc, cho phép thích ứng với nhu cầu sử dụng công cụ EDA, lập kế hoạch thông minh tự động quy mô lớn về sức mạnh tính toán, và nguồn tài nguyên đám mây khổng lồ cung cấp hỗ trợ sức mạnh tính toán linh hoạt, trực tiếp cải thiện chu kỳ nghiên cứu và phát triển cũng như tỷ lệ sản lượng chip, và giảm chi phí thiết kế chip. Công nghệ đóng gói 3D tiên tiến đã được cải thiện ổn định, phá vỡ nút thắt cổ chai của Định luật Moore. Công nghệ này có những ưu điểm rõ rệt về khả năng tích hợp, hiệu năng, tiêu thụ điện năng, v.v. Samsung đã thông báo trong năm nay rằng công nghệ đóng gói X-Cube3D mới của họ đã sẵn sàng để sử dụng... Tất nhiên, với tư cách là một ngôi sao đang lên trong lĩnh vực bán dẫn, các chất bán dẫn thế hệ thứ ba và các chất bán dẫn phức hợp khác cũng đã thu hút rất nhiều sự chú ý và có nhiều điểm nổi bật. Mời bạn cùng xem những hình ảnh tuyệt vời về công ty bán dẫn Cissoid của Bỉ dưới đây!

    Phỏng vấn độc quyền với Tiến sĩ Luo Ningsheng, Tổng Giám đốc Cissoid Trung Quốc, tạp chí "Compound Semiconductor".          

Tiến sĩ Luo Ningsheng hiện là Tổng Giám đốc khu vực Trung Quốc của Công ty Cissoid Bỉ. Trước đây, ông từng làm việc trong lĩnh vực quản lý thị trường và kinh doanh bán dẫn cho một số công ty bán dẫn của châu Âu và Mỹ, chủ yếu phụ trách thị trường và kinh doanh tại Trung Quốc và khu vực châu Á - Thái Bình Dương. Các công ty này bao gồm Synaptics (NASDAQ: SYNA) tại Hoa Kỳ, Silicon Data tại Hoa Kỳ, PicoChip tại Vương quốc Anh và Innovative Micro Technology tại Hoa Kỳ. Ông nhận bằng Tiến sĩ từ Viện Vật lý Kỹ thuật Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và sau đó dành nhiều năm làm học giả thỉnh giảng tại châu Âu và Hoa Kỳ tham gia nghiên cứu vật lý vật liệu, bao gồm nghiên cứu vật lý bề mặt rắn tại Viện Max Planck về Động lực học chất lỏng ở Göttingen, Đức, và nghiên cứu vật liệu nano bán dẫn tại Khoa Vật lý, Đại học Louisville, Hoa Kỳ.

Câu hỏi: Năm 2021 sắp đến. Bước sang năm mới, ông/bà đánh giá như thế nào về sự phát triển và những thay đổi của ngành công nghiệp bán dẫn phức hợp, và những kết luận, nhận định của ông/bà về năm 2020 là gì? Trả lời: Theo bước Tesla, năm 2020, khi BYD dẫn đầu trong việc chính thức ra mắt xe điện sử dụng MOSFET SiC tại Trung Quốc, các nhà sản xuất xe điện lớn khác cũng đang chú trọng hơn đến việc ứng dụng SiC trong xe điện. Về OBC, DC-DC và trạm sạc, nhìn chung có thể sử dụng MOSFET SiC phân khúc thấp, giúp cải thiện hiệu suất, giảm kích thước và trọng lượng trong khi vẫn giữ chi phí tương đối thấp. Đối với các ứng dụng điều khiển động cơ, để đạt được hiệu suất cao nhất và tổn thất nhiệt thấp nhất, người ta thường sử dụng MOSFET SiC cao cấp (tức là điện trở trong tương đối nhỏ). Về động cơ xe điện, ngành công nghiệp nói chung đã xác nhận rằng việc thay thế các IGBT truyền thống bằng MOSFET SiC có thể tăng hiệu suất năng lượng của toàn bộ xe lên 5-10%, điều này có nghĩa là có thể tăng phạm vi hoạt động lên 5-10% trong điều kiện bộ pin tương tự, điều này khá hấp dẫn. Năm 2021 sẽ là năm ứng dụng SiC trong lĩnh vực xe điện bắt đầu bùng nổ, bởi vì tình trạng thiếu hụt quy mô lớn trong năm nay là một dấu hiệu. Ngoài ra, GaN cũng đã phát triển rất tốt trong thời gian gần đây, và hiệu năng chính của nó nằm ở bộ sạc nhanh cho thiết bị di động. Vì nó liên quan đến các ứng dụng điện tử tiêu dùng, nhu cầu về GaN sẽ rất lớn, do đó lượng hàng GaN xuất xưởng sẽ sớm vượt xa các thiết bị SiC với số lượng gấp nhiều lần.

Hỏi: Với sự phát triển nhanh chóng của 5G, xe năng lượng mới, dữ liệu lớn, AI, IoT và các lĩnh vực công nghệ khác, sẽ mang lại nhiều cơ hội cho chất bán dẫn phức hợp. Theo ông/bà, chất bán dẫn phức hợp đang đối mặt với những thách thức và cơ hội nào? Chất bán dẫn phức hợp (SiC và GaN) là các thiết bị bán dẫn mới nhằm thay thế các thiết bị Si truyền thống, thách thức lớn nhất là kiểm soát chi phí, bao gồm kiểm soát năng suất và quy mô sản xuất. Chỉ bằng cách liên tục cải thiện tỷ lệ năng suất và mở rộng quy mô sản xuất, chi phí mới có thể giảm dần, từ đó giành được ứng dụng rộng rãi trên thị trường. Thách thức cũng chính là cơ hội, và đây cũng là những điểm mạnh mà các nhà sản xuất chất bán dẫn phức hợp cần phải vượt qua để giành được thị phần.

Hỏi: Silicon carbide (SiC) là một vật liệu có triển vọng phát triển rất lớn, đặc biệt là trong ứng dụng điện tử công suất và thiết bị tần số vô tuyến vi sóng. Hiện nay, nó đang nhận được sự quan tâm rất lớn. Công ty của bạn đánh giá như thế nào về sự phát triển thị trường của silicon carbide? Làm thế nào để thúc đẩy việc nâng cấp và phát triển vật liệu silicon carbide? Trả lời:

Khi các chất bán dẫn thế hệ thứ ba như các thiết bị bán dẫn công suất SiC trở nên hoàn thiện và phổ biến hơn, chúng sẽ đơn giản thay thế các thiết bị Si trong các ứng dụng ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, ở giai đoạn sau, chúng sẽ chủ động tận dụng lợi thế về hiệu năng để tạo ra nhiều ứng dụng mới, tức là chúng sẽ tham gia vào các ứng dụng mà trước đây các thiết bị Si không thể tiếp cận. Ví dụ, khả năng chịu nhiệt độ cao vốn có của SiC rất phù hợp với các thiết bị bán dẫn chịu nhiệt độ cao Cissoid, điều này sẽ thay đổi đáng kể mô hình thiết kế hệ thống điện và cung cấp cho các kỹ sư thiết kế không gian mở rộng mới và rộng lớn. Những ứng dụng điển hình trong tương lai ở nhiệt độ cao, mật độ công suất cao này bao gồm hệ thống truyền động xe điện tích hợp sâu, máy bay đa động cơ điện và hoàn toàn chạy điện, thậm chí cả máy bay điện, trạm sạc lưu trữ năng lượng di động và pin dự phòng, và nhiều ứng dụng điện khác mà việc làm mát bằng chất lỏng bị hạn chế nghiêm trọng. 

Hệ thống truyền động của xe điện (động cơ, điều khiển điện tử và hộp số) đang hướng tới mô hình ba trong một, nhưng hiện tại chúng chỉ được xếp chồng lên nhau về mặt cấu trúc, tức là sự tích hợp yếu. Xét về cấu trúc, trong tương lai, sự tích hợp sâu hệ thống truyền động là con đường tất yếu, bởi vì điều này có thể giảm thể tích khoảng một phần ba, trọng lượng khoảng một phần ba và mức tiêu thụ năng lượng khoảng một phần ba, đồng thời giảm tổng chi phí từ 2 đến 4 lần. Tuy nhiên, phần điều khiển điện tử sẽ được tích hợp chặt chẽ với động cơ, và sự tích hợp sâu này sẽ làm tăng đáng kể mật độ công suất. Nhiệt độ cao là thách thức lớn nhất không thể tránh khỏi.

Trong máy bay truyền thống, các thao tác cơ khí điều khiển bánh lái đuôi, cánh, càng hạ cánh, v.v. dựa trên hệ thống truyền động thủy lực cổ điển. Là một chất lỏng, dầu thủy lực bị ảnh hưởng rất nhiều bởi môi trường và có chi phí bảo trì cao. Hiện nay, có xu hướng điện khí hóa một phần hoặc toàn bộ, đó là khái niệm về máy bay đa điện và máy bay hoàn toàn bằng điện. Việc sử dụng động cơ điện thay vì mạch dầu thủy lực trên máy bay để đạt được hoạt động cơ khí có độ tin cậy cao, khả năng bảo trì tốt và tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế dự phòng. Tuy nhiên, vấn đề nan giải lớn nhất là động cơ và hệ thống điều khiển điện tử trên máy bay không được phép trang bị hệ thống làm mát bằng nước, mà chỉ có thể dựa vào làm mát bằng gió cưỡng bức và làm mát tự nhiên. Do đó, để hiện thực hóa thiết kế điều khiển điện tử của máy bay đa điện hoặc hoàn toàn bằng điện, hoặc thậm chí là máy bay điện, vấn đề kỹ thuật chính cần giải quyết trước tiên là nhiệt độ cao. 

Ngoài ra, có rất nhiều kịch bản ứng dụng, đặc biệt là với sự phổ biến rộng rãi của xe điện, các trạm sạc lưu trữ năng lượng bán di động và pin dự phòng di động hoàn toàn sẽ lấp đầy hiệu quả khoảng trống trong sạc cố định ở một số trường hợp nhất định. Tuy nhiên, đối với loại ứng dụng sạc di động này, cơ chế làm mát bằng nước không chỉ gây thêm gánh nặng về trọng lượng và kích thước, mà quan trọng hơn, nó còn tiêu thụ năng lượng điện được lưu trữ. Do đó, làm mát tự nhiên sẽ là cách tốt nhất cho hệ thống điều khiển điện tử, nhưng vấn đề quản lý nhiệt của hệ thống điều khiển điện tử phải được xử lý đúng cách.

Ngoài ba ứng dụng nhiệt độ cao điển hình nêu trên, trong nhiều ứng dụng công nghiệp đặc biệt mà việc làm mát bằng chất lỏng bị hạn chế nghiêm trọng, hệ thống điều khiển điện tử cũng sẽ phải đối mặt với những thách thức tương tự về nhiệt độ cao. Công nghệ điều khiển điện nhiệt độ cao là chìa khóa để hiện thực hóa các ứng dụng nhiệt độ cao nêu trên. Công nghệ cốt lõi để thực hiện điều này là công nghệ đóng gói chịu nhiệt độ cao của các thiết bị điện SiC và công nghệ mạch điều khiển chịu nhiệt độ cao phù hợp.

Vật liệu SiC và cấu trúc thiết bị của chúng có khả năng chịu nhiệt cao, thậm chí có thể chịu được nhiệt độ từ 400 đến 600°C trong điều kiện chân không. Trong các ứng dụng thực tế, để ngăn ngừa quá trình oxy hóa do tiếp xúc với không khí, các thiết bị SiC phải được đóng gói, và nếu muốn chịu được nhiệt độ cao, chúng phải sử dụng các loại bao bì chịu nhiệt cao. Nhiệt độ mối nối 150°C hiện là tiêu chuẩn cao nhất trong ngành. Mức nhiệt độ mối nối 175°C mới bắt đầu được nghiên cứu. Có những loại bao bì gần như tiêu chuẩn hóa có thể sử dụng. Các loại bao bì có nhiệt độ từ 200°C trở lên có yêu cầu rất khắt khe về vật liệu và quy trình đóng gói, và phải được tùy chỉnh theo đặc tính của chip trần để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về dẫn nhiệt và hiệu suất tản nhiệt.

Việc ứng dụng các thiết bị và mô-đun công suất SiC không thể tách rời khỏi các mạch điều khiển và các chip tương ứng. Tuy nhiên, hầu hết các chip mạch điều khiển là các thiết bị silicon thông thường và không chịu được nhiệt độ cao. Nếu chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao như 175°C trong 1,000 giờ thì đã rất hiếm. Hơn nữa, khả năng chịu nhiệt độ cao chỉ là một khía cạnh của vấn đề. Điều nghiêm trọng hơn là tính ổn định hiệu suất của thiết bị ở nhiệt độ cao. Hiệu suất của các thiết bị silicon thông thường suy giảm rất nhanh ở nhiệt độ trên 70°C, vì vậy chúng không thể được sử dụng ở nhiệt độ cao. Sau hơn 20 năm nghiên cứu và phát triển cùng thử nghiệm ứng dụng, các thiết bị silicon đặc biệt SOI của Cissoid đã đạt được khả năng chịu nhiệt độ cao lên đến 175°C và có thể hoạt động liên tục trong 15 năm. Hiệu suất có tính ổn định tuyệt vời trên toàn bộ dải nhiệt độ và là trụ cột hỗ trợ các ứng dụng SiC ở nhiệt độ cao.

Hỏi: Xin hãy chia sẻ quan điểm của ông/bà về việc ngành công nghiệp bán dẫn phức hợp của Trung Quốc nên học hỏi kinh nghiệm quốc tế như thế nào để đẩy nhanh tốc độ phát triển công nghiệp. Trả lời: Mặc dù Trung Quốc bắt đầu muộn trong lĩnh vực bán dẫn phức hợp và tụt hậu so với các nước ngoài, nhưng lĩnh vực này rất phù hợp để đạt được sự phát triển nhanh chóng ở Trung Quốc. Có ba lý do chính. Thứ nhất, quy trình sản xuất bán dẫn phức hợp về cơ bản ở cấp độ micromet. Từ vật liệu đến thiết bị, đều có sự hỗ trợ đầy đủ của chuỗi công nghiệp trong nước, và họ sẽ không bị hạn chế nghiêm trọng bởi nhu cầu nhập khẩu thiết bị sản xuất nano tinh vi (đặc biệt là máy quang khắc). Thứ hai, cấu trúc thiết bị của bán dẫn phức hợp tương đối đơn giản và không yêu cầu hỗ trợ EDA cấp cao quá phức tạp. Điều này cũng loại bỏ những hạn chế nghiêm trọng do nhu cầu nhập khẩu gây ra. Thứ ba, Trung Quốc có một thị trường ứng dụng rộng lớn. Do đó, có thể kết luận rằng bán dẫn phức hợp sẽ là một trong những bước đột phá quan trọng để cải thiện toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn của Trung Quốc. Trong những năm gần đây, đất nước đã rất coi trọng ngành công nghiệp sản xuất bán dẫn và đã đầu tư rất nhiều. Hàng chục nhà máy sản xuất wafer đã được khởi công, mở rộng hoặc xây dựng. Đặc biệt gần đây, một số người trong ngành đã kêu gọi xem gia công hệ thống vi điện tử cần được xem là một ngành riêng biệt. Đây là một hiện tượng tuyệt vời. Tuy nhiên, nhìn vào các nhà máy sản xuất wafer trong nước, tất cả đều có nhà máy và thiết bị mới, với vốn đầu tư rất lớn. Điều thiếu sót nhất là nhân tài trong lĩnh vực phát triển quy trình, và một hệ thống bồi dưỡng nhân tài trong quá trình duy trì. Các ngành gia công cơ khí truyền thống, như tiện, phay và hàn, đều có hệ thống thợ thủ công nhiều cấp bậc gắn liền với các chế độ phúc lợi và trợ cấp để thúc đẩy và duy trì sự phát triển của nghề nghiệp. Một ngành công nghiệp gia công hệ thống vi điện tử quan trọng như vậy cần có một hệ thống đào tạo nhân tài toàn diện hơn.