+86 755-83044319

Perspektivy

/
/

Hao Yue, akademik Čínské akademie věd: vývoj širokopásmových polovodičů nelze použít pouze bez inovací

čas vydání:2022-03-08Zdroj autora:SlkorProcházet:3186

Jak se hustota IC tranzistorů blíží fyzikálním limitům, je stále obtížnější zlepšit výkon IC pouze zlepšením výrobního procesu. Kolem toho, jak rozvíjet post-Mooreovu éru průmyslu IC, svět aktivně hledá nové technologie, nové metody a nové cesty. S cílem dále podporovat technologickou inovaci a urychlit průmyslový rozvoj čínských integrovaných obvodů v post-Moorově éře, China Semiconductor Industry Association a China Electronics News společně zahájily sérii zpráv s názvem „Akademici mluví o technologické evoluci v Post-Moore“. Era“, která povede rozhovory s akademiky v příbuzných oborech, aby diskutovali o směřování vývoje polovodičového průmyslu v post-Moorově éře.

V současné době se doma i v zahraničí nasazují polovodičová zařízení se širokým pásmem (také známá jako polovodičová třetí generace) a materiálový průmysl. Proč si průmysl polovodičů se širokým pásmem získal přízeň trhu? Jaké jsou charakteristiky, obtíže a bolestivá místa v procesu žádosti? Jakým směrem by se měla příslušná odvětví v budoucnu vyvíjet? Hao Yue se podělil o své názory na současné problémy, problémy s vývojem a budoucí směr vývoje polovodičového průmyslu s velkou mezerou v pásmu.

Reportér: Nejprve bych vás chtěl požádat o krátké představení širokopásmového polovodiče. Jaké jsou vlastnosti tohoto druhu polovodičů a jaké jsou jeho aplikace v průmyslu?

Hao Yue: Nejzřetelnějším rysem polovodičů se širokým pásmem je jeho široká šířka zakázaného pásma, která je z hlediska materiálových vlastností bližší izolátoru. Proto nitrid galia a karbid křemíku reprezentovaný tímto druhem polovodičových materiálů se širokým pásmem, s vysokou průraznou silou elektrického pole, vysokou provozní teplotou, nízkým vodivým odporem zařízení, vysokou hustotou elektronů a dalšími výhodami, v současné době polovodič se širokým pásmem hlavně ve třech polích mají silnou tržní konkurenceschopnost.

První jsou vf zařízení, konkrétně mikrovlnná zařízení s milimetrovými vlnami. Ve srovnání s polovodičovými materiály, jako je arsenid galia a křemík, mají polovodičová zařízení se širokým pásmovým odstupem v mikrovlnném milimetrovém pásmu výrazně vyšší pracovní účinnost a výstupní výkon a jsou vhodná pro vysokofrekvenční napájecí zařízení. RF zařízení pro civilní použití se používají hlavně v mobilních komunikacích, včetně 4G, 5G a 6G komunikace v budoucnu. Například nově instalované základnové stanice pro mobilní komunikaci 4G a 5G v Číně téměř všechny používají zařízení s nitridem galia. Zejména základnová stanice THE 5G využívá vysílací a přijímací systém MIMO. Každá základnová stanice vysílá a přijímá 64 kanálů a její spotřeba energie je více než třikrát vyšší než u základnové stanice 4G. Navíc hustota základnové stanice je vyšší než hustota základnové stanice 4G, takže je téměř nemožné používat vysoce účinná zařízení z nitridu galia. V budoucnu bude frekvence komunikace 6G vyšší a počet základnových stanic bude výraznější.

Druhým jsou vysoce výkonná elektronická zařízení. Vysoce výkonná a vysoce účinná výkonová elektronická zařízení jsou potřebná pro rychlonabíjecí zařízení, systémy přenosu a transformace energie, železniční dopravu, elektrická vozidla a nabíjecí stanice. Není pochyb o tom, že polovodič se širokým pásmem, zejména karbid křemíku, nitrid galia má zjevnější výhody než jiné polovodičové materiály.

Třetí jsou fotoelektrická zařízení. Polovodič se širokým pásmem má zjevné výhody zejména u krátkovlnných optoelektronických zařízení. Například modré světlo nyní používá nitrid galia pro veškeré osvětlení polovodičů. Ve fialovém světle, ultrafialovém světle a dokonce i ve žlutém světle lze zelené světlo přímo použít jako nitridové polovodičové materiály.

Samozřejmě existují i ​​další aplikační oblasti, jako jsou detektory, senzory a tak dále, použití je velmi široké.

Poznámka: Podle údajů vykazuje velikost trhu širokopásmových polovodičových zařízení od roku 2017 velmi zřejmý vzestupný trend. Podle vašeho názoru mají širokopásmové polovodiče potenciál být rušivou technologií v post-maurské éře? a do jaké míry nahradí křemík?

Hao Yue: V post-Mooreově době čelí čipy křemíkových integrovaných obvodů velkým výzvám z hlediska integrace a spotřeby energie, což každých 18 měsíců zpomaluje Moorův zákon o integraci čipů. Proto se hledají nová řešení, včetně nových řešení křemíkových 3D integrovaných obvodů a systémových čipů. Systémové čipy se také nazývají více než Mooreův zákon, který odkazuje na neustálé rozšiřování křemíkových integrovaných obvodů za účelem integrace s jinými materiály nebo aplikačními oblastmi, aby se otevřely nové aplikační trhy.

Myslím, že křemíkové integrované obvody jsou vysoce integrované s jinými typy polovodičů, jako jsou složené polovodiče a křemíková zařízení, rostoucí sloučeniny na křemíkových substrátech, což je velmi zajímavý, velmi slibný obor v post-molární éře. Je to také důležitý směr pro budoucí vývoj polovodičových součástek a integrovaných obvodů s velkou mezerou v pásmu.

Je však nemožné, aby polovodičové materiály se širokým pásmem nahradily křemík. Více než 90 % integrovaných obvodů stále používá polovodiče na bázi křemíku a také solární články, které jsou převážně vyrobeny z křemíku. Polovodičová zařízení se širokým pásmem a integrované obvody zaujímají na celosvětovém trhu polovodičů pouze malý podíl a používají se hlavně ve vysokovýkonných vysokofrekvenčních zařízeních, zařízeních výkonové elektroniky a krátkovlnných optoelektronických zařízeních. Křemík je stále dominantním polovodičovým materiálem. Protože křemíkové materiály obtížně vyzařují světlo a zlepšují výstupní výkon při vysokých frekvencích, mají širokopásmové polovodiče nezávislý vývojový prostor a obrovský aplikační trh.

Reportér: jaké potíže stále existují v procesu propagace čínských polovodičových materiálů a zařízení se širokým pásmem v průmyslu, jaké jsou důvody těchto potíží a jak je řešit?

Hao Yue: V současnosti se čínský polovodičový průmysl potýká s problémem „úzkého hrdla“, zejména v oblasti klíčových zařízení a materiálů. Nicméně, pokud jde o širokopásmové polovodičové zařízení, dosáhli jsme v současnosti lokalizace ve většině oblastí, od růstu materiálu, procesu zařízení a obvodů až po testování balicích zařízení, domácí v podstatě mohou uspokojit potřeby. Nevyřešena zůstala pouze litografie. Ve skutečnosti proces fotolitografie potřebný pro polovodič se širokým pásmem, jako je nitrid gallia, nemusí být příliš pokročilý. Fotolitografická přesnost 90 nanometrů je dostatečná. S podporou příslušných národních politik můžeme této technologie dosáhnout. Fotogravírovací stroj, který byl v současnosti úspěšně vyvinut, by měl co nejdříve dosáhnout stabilní sériové výroby a v tomto ohledu musíme stále vyvíjet úsilí. Můžeme dělat dobře, můžeme se stát industrializací věcí, musíme to dělat.

Reportér: Někteří výrobci říkají, že v současné době v mnoha špičkových oborech domácí výroba polovodičových zařízení nemůže splnit požadavky (např. účinnost zařízení), proč? Jak tyto problémy vyřešit?

Hao Yue: Vysoká tepelná vodivost a nízké ztráty jsou neodmyslitelné výhody širokopásmových polovodičů. Problém je, že jsme nedokázali plně využít těchto výhod při vývoji produktů. Například nitrid gallia při frekvenci 4 GHz o výstupním výkonu 100 W může účinnost zařízení dosáhnout více než 70 %. U jiných materiálů může dosáhnout 50% je dobré, vysoká účinnost je dána povahou materiálu. Ať už jde o nitrid galia nebo karbid křemíku, účinnost polovodičů se širokým pásmem je velmi vysoká. Při následné aplikaci zařízení je však velmi důležité zajistit nízké ztráty materiálů v každém kroku.

Například v zařízení z karbidu křemíku, po dokončení výroby obalů, současný základní selhal našemu obalu zařízení, v souladu s charakteristikami zařízení a měl by to udělat, stále přijmout režim vysoce výkonných zařízení křemíkového zapouzdření, tím se zvýšila ztráta širokého pásma polovodiče vysoká účinnost a nízká ztráta byla tak zapouzdření, základní nemají žádný účinek. Toto je jen jeden příklad a myslím si, že z hlediska zavádění technologií lze udělat mnohem více.

Reportér: Pokud bude širokopásmová polovodičová technologie dále popularizována, může splnit špičkové požadavky na vysoký výkon, vysokou teplotní odolnost a dlouhou životnost elektronických zařízení?

Hao Yue: Myslím, že se to dá úplně vyřešit. Protože u polovodičů se širokým pásmem jsou naše technologie vývoje zařízení a indikátory v zásadě synchronizovány s mezinárodními a dokonce některé indikátory vedou. Otázkou je, jak rychle se tyto technologie dokážou přesunout z výzkumu a vývoje do výroby. V současné době mnoho domácích výrobců samo o sobě nemá schopnost výzkumu a vývoje, základní je přijmout doktrínu. Například naše Národní centrum inženýrského výzkumu Wide Band Gap Semiconductor na univerzitě Xidian vyvinulo mnoho materiálů a technologií zařízení s vysokým indexem indexu. Zpočátku byli výrobci schopni zařízení postavit, ale na tomto základě bylo obtížné inovovat. Naše země věří, že podniky jsou hlavním orgánem inovací. Pokud podniky pouze používají technologii, ale neinovují, bez ohledu na to, jak dobrá technologie je, nelze ji neustále přeměňovat na výrobní síly. V současné době má mnoho podniků velmi omezené investice do VÝZKUMU a vývoje a hlavní investice do výzkumu a vývoje stále závisí na státu.

Pro srovnání, Intel utratí více než 10 miliard dolarů ročně na výzkum a vývoj předních polovodičových společností. Čínské podniky by měly zlepšit svou inovační kapacitu a také najít způsoby, jak zvýšit investice do výzkumu a vývoje.

Reportér: Rozumí se, že univerzity a výzkumné ústavy jsou hodnoceny hlavně publikováním příspěvků. Tento systém hodnocení může ztížit úzkou spolupráci univerzit a průmyslu. Jaké role by měly hrát školy a podniky v alianci univerzit a podniků?

Hao Yue: Výzkum univerzit a národních výzkumných ústavů musí mířit na hranici světové vědy a techniky. O tom není pochyb. Jedním z úkolů univerzit a výzkumných ústavů je zkoumat běžné věci a neustále se věnovat novým věcem. To platí nejen na čínských univerzitách, ale na univerzitách po celém světě. Proto si myslím, že je správné přikládat důležitost publikování příspěvků, zejména na akademických konferencích a akademických časopisech. Vědci a vědci by měli čelit hranicím vědy a techniky a posláním vědců je sledovat vyšší cíle.

Měly by se vědecko-výzkumné úspěchy vysokých škol a univerzit rychle přeměnit ve skutečné produktivní síly? Myslím, že určitě ano. Jak ale zajistit, aby se výsledky výzkumu vysokých škol a univerzit mohly přetavit ve skutečnou produktivitu? Existuje tendence, aby profesoři řídili firmy přímo, což je podle mě také diskutabilní. Pro profesora je velmi těžké umět čelit jak technologické hranici, tak hlavnímu ekonomickému bojišti.

Jak tedy vyřešit tuto skupinu rozporů? Podle mého názoru je klíčem k vyřešení problému spoléhání se na kombinaci průmyslu, univerzity a výzkumu při zlepšování vlastních výzkumných a vývojových schopností podniku. Proto bychom měli vyvinout společné úsilí, jak realizovat podnik jako hlavní inovaci.

Reportér: Některé velké mezinárodní společnosti, jako Clarie a Infineon, v podstatě svými technologiemi pokryly celý průmyslový řetězec, od substrátů, zařízení až po aplikace. Pokud domácí podniky soutěží s takovými podniky a chtějí si vytvořit konkurenceschopnost v oblasti high-end, jak by měly postupovat?

Hao Yue: Společnost Kerui se na začátku společnosti specializuje na polovodičové materiály z karbidu křemíku, kompletně vyrábí materiály. Jak materiál rostl, začal vyrábět zařízení, vertikální vysoce výkonné modré LED diody a poté elektroniku. Infineon dělal zařízení, ne materiály. Teprve poté, co se stali světovými lídry ve svých oborech, se postupně začali rozvíjet nahoru a dolů v průmyslovém řetězci.

Takže pro naše podniky je moje rada, abychom dělali to, co umíme dobře, abychom to dělali nejlépe, abychom byli bezvadní. Podnik by neměl hned na začátku uvažovat o průmyslovém řetězci. Mělo by si vybrat obor, udělat to do extrému a pak zvážit rozšíření proti proudu a po proudu. Na začátku je nemožné dosáhnout prvotřídních materiálů a zařízení. Co je tedy umístění podniku, by mělo být jasné jako první.

Reportér: Nitrid galia a karbid křemíku dosáhly sériové výroby. Jaké materiály v oblasti polovodičů se širokým pásmem čekají budoucnost?

Hao Yue: Myslím, že oxid galia je nejpravděpodobnější materiál, který má širší pásmovou mezeru než nitrid galia a karbid křemíku, dosahující 4.6~4.8 elektronvoltů. Náš současný výzkum ukazuje, že takové materiály jsou slibné.

Zhruba v příštím desetiletí se ze zařízení s oxidem galia pravděpodobně stanou konkurenční výkonová elektronická zařízení, která budou přímo konkurovat zařízením z karbidu křemíku, stejně jako jsou dnes zařízení napájená z karbidu křemíku a křemíku.

Oxid galia není v současné době dostupný, záleží na pokroku následného výzkumu. Pásmová mezera diamantového materiálu je navíc 5.4 elektronvoltů. Výzkumná základna tohoto druhu materiálu a zařízení je v Číně velmi dobrá, ale stále existuje mnoho technických problémů s tímto druhem materiálu a jeho industrializace je poměrně obtížná, což závisí na tom, jaký technologický průlom bude učiněn v příštích 10 let. Je spravedlivé říci, že jsme pracovali neúnavně.


Upozornění: Tento článek je přetištěn z "China Electronic News", tento článek představuje pouze osobní názory autora, nereprezentuje názory Sakwei a průmyslu, pouze pro přetištění a sdílení, podporu ochrany práv duševního vlastnictví, uveďte prosím původní zdroj a autor, pokud dojde k porušení, kontaktujte nás pro smazání.


Doporučení aplikace

Servisní horká linka

+86 0755-83044319

Hallův snímač

Získejte informace o produktu

WeChat

WeChat