مع اقتراب كثافة ترانزستور الدائرة المتكاملة من الحد المادي، يصبح من الصعب بشكل متزايد تحسين أداء الدائرة المتكاملة فقط من خلال تحسين عملية التصنيع. حول كيفية تطوير عصر ما بعد مور لصناعة IC، يبحث العالم بنشاط عن تقنيات جديدة وأساليب جديدة ومسارات جديدة. من أجل مواصلة تعزيز الابتكار التكنولوجي وتسريع التنمية الصناعية للدوائر المتكاملة في الصين في عصر ما بعد مور، أطلقت جمعية صناعة أشباه الموصلات الصينية وأخبار الإلكترونيات الصينية سلسلة من التقارير بعنوان "الأكاديميون يتحدثون عن تطور التكنولوجيا في مرحلة ما بعد مور". Era"، والذي سيجري مقابلات مع الأكاديميين في المجالات ذات الصلة لمناقشة اتجاه تطوير صناعة أشباه الموصلات في حقبة ما بعد مور.

في الوقت الحاضر، يتم نشر أجهزة وصناعة المواد ذات فجوة النطاق العريض (المعروفة أيضًا باسم الجيل الثالث من أشباه الموصلات) في الداخل والخارج. لماذا حازت صناعة أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة على تفضيل السوق؟ ما هي الخصائص والصعوبات ونقاط الألم في عملية التقديم؟ ما هو الاتجاه الذي يجب أن تتطور الصناعات ذات الصلة في المستقبل؟ شارك هاو يو وجهات نظره حول المشاكل الحالية وصعوبات التطوير واتجاه التطوير المستقبلي لصناعة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع.

المراسل: أولاً، أود أن أطلب منك تقديم مقدمة مختصرة عن أشباه الموصلات واسعة النطاق. ما هي خصائص هذا النوع من أشباه الموصلات وما هي تطبيقاته في الصناعة؟

هاو يو: الميزة الأكثر وضوحًا لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة هي عرض فجوة النطاق الواسعة، وهو أقرب إلى العازل من حيث خصائص المواد. لذلك، يتم تمثيل نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون بهذا النوع من مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض، مع قوة مجال كهربائي عالية الانهيار، ودرجة حرارة تشغيل عالية، ومقاومة توصيل منخفضة للجهاز، وكثافة إلكترون عالية ومزايا أخرى، حاليًا أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض بشكل رئيسي في ثلاثة مجالات تتمتع بقدرة تنافسية قوية في السوق.

الأول هو أجهزة الترددات اللاسلكية، وهي أجهزة الموجات الميكروية المليمترية. بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم والسيليكون، فإن أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع في نطاق الميكروويف المليمتري تتمتع بكفاءة عمل وطاقة خرج أعلى بكثير، وهي مناسبة لأجهزة طاقة الترددات اللاسلكية. تُستخدم أجهزة التردد اللاسلكي للاستخدام المدني بشكل أساسي في الاتصالات المتنقلة، بما في ذلك اتصالات 4G و5G و6G في المستقبل. على سبيل المثال، تستخدم جميع محطات الاتصالات المتنقلة 4G و5G التي تم تركيبها حديثًا في الصين أجهزة نيتريد الغاليوم. على وجه الخصوص، تعتمد المحطة الأساسية 5G نظام الإرسال والاستقبال MIMO. تقوم كل محطة أساسية بإرسال واستقبال 64 قناة، ويفوق استهلاكها للطاقة ثلاثة أضعاف استهلاك محطة 4G الأساسية. علاوة على ذلك، فإن كثافة المحطة الأساسية أعلى من كثافة المحطة الأساسية 4G، لذلك يكاد يكون من المستحيل استخدام أجهزة نيتريد الغاليوم عالية الكفاءة. وفي المستقبل، سيكون تردد اتصالات 6G أعلى وسيكون عدد المحطات الأساسية أكثر بروزًا.

والثاني هو الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة. هناك حاجة إلى أجهزة إلكترونية عالية الطاقة وعالية الكفاءة لأجهزة الشحن السريع وأنظمة نقل وتحويل الطاقة والنقل بالسكك الحديدية والمركبات الكهربائية وأكوام الشحن. مما لا شك فيه أن أشباه الموصلات واسعة النطاق، وخاصة كربيد السيليكون، تتمتع نيتريد الغاليوم بمزايا أكثر وضوحًا من مواد أشباه الموصلات الأخرى.

والثالث هو الأجهزة الكهروضوئية. تتمتع أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة بمزايا واضحة خاصة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات الطول الموجي القصير. الضوء الأزرق، على سبيل المثال، يستخدم الآن نيتريد الغاليوم لجميع أنواع الإضاءة شبه الموصلة. في الضوء البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية وحتى في الضوء الأصفر، يمكن استخدام الضوء الأخضر مباشرة كمواد شبه موصلة للنيتريد.

بالطبع، هناك مجالات تطبيق أخرى، مثل أجهزة الكشف وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك، والتطبيق واسع جدًا.

ملاحظة: وفقًا للبيانات، أظهر حجم السوق لأجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع اتجاهًا تصاعديًا واضحًا للغاية منذ عام 2017. في رأيك، هل تمتلك أشباه الموصلات واسعة النطاق القدرة على أن تكون تقنية مدمرة في عصر ما بعد المغرب، وإلى أي مدى سوف تحل محل السيليكون؟

هاو يو: في حقبة ما بعد مور، تواجه رقائق الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون تحديات كبيرة من حيث التكامل واستهلاك الطاقة، مما يؤدي إلى إبطاء قانون مور لتكامل الرقائق كل 18 شهرًا. ولذلك يتم البحث عن حلول جديدة، بما في ذلك الحلول الجديدة للدوائر المتكاملة السيليكونية ثلاثية الأبعاد ورقائق النظام. وتسمى رقائق النظام أيضًا بقانون أكثر من مور، والذي يشير إلى التوسع المستمر لدوائر السيليكون المتكاملة للتكامل مع المواد الأخرى أو مجالات التطبيق لفتح أسواق تطبيقات جديدة.

أعتقد أن دوائر السيليكون المتكاملة تتكامل بشكل كبير مع أنواع أخرى من أشباه الموصلات، مثل أشباه الموصلات المركبة وأجهزة السيليكون، ونمو المركبات على ركائز السيليكون، وهو مجال مثير للاهتمام وواعد جدًا في عصر ما بعد المولي. إنه أيضًا اتجاه مهم لتطوير أجهزة أشباه الموصلات واسعة النطاق والدوائر المتكاملة في المستقبل.

ومع ذلك، فمن المستحيل أن تحل مواد أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة محل السيليكون. وما زال أكثر من 90% من الدوائر المتكاملة تستخدم أشباه الموصلات القائمة على السيليكون، فضلا عن الخلايا الشمسية، التي تتكون أساسا من السيليكون. تشغل أجهزة أشباه الموصلات واسعة النطاق والدوائر المتكاملة حصة صغيرة فقط في سوق أشباه الموصلات العالمية، وتستخدم بشكل رئيسي في أجهزة الترددات اللاسلكية عالية الطاقة وأجهزة إلكترونيات الطاقة والأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات الطول الموجي القصير. لا يزال السيليكون هو مادة أشباه الموصلات المهيمنة. ونظرًا لصعوبة إصدار مواد السيليكون للضوء وتحسين الطاقة الناتجة عند الترددات العالية، فإن أشباه الموصلات واسعة النطاق تتمتع بمساحة تطوير مستقلة وسوق تطبيقات ضخم.

المراسل: ما هي الصعوبات التي لا تزال موجودة في عملية الترويج لمواد وأجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة في الصين للصناعة، ما هي أسباب هذه الصعوبات وكيفية حلها؟

هاو يو: في الوقت الحاضر، تواجه صناعة أشباه الموصلات في الصين مشكلة "عنق الزجاجة"، وخاصة في المعدات والمواد الرئيسية. ومع ذلك، فيما يتعلق بمعدات أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع، فقد حققنا التوطين في معظم المجالات في الوقت الحاضر، بدءًا من نمو المواد وعملية الأجهزة والدوائر إلى اختبار معدات التعبئة والتغليف، حيث يمكن للأجهزة المحلية تلبية الاحتياجات بشكل أساسي. ظلت الطباعة الحجرية فقط دون حل. في الواقع، فإن عملية الطباعة الحجرية الضوئية اللازمة لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة مثل نيتريد الغاليوم لا تحتاج إلى أن تكون متقدمة جدًا. دقة الطباعة الحجرية الضوئية البالغة 90 نانومتر كافية. وبدعم السياسات الوطنية ذات الصلة، يمكننا تحقيق هذه التكنولوجيا. إن آلة النقش الضوئي التي تم تطويرها بنجاح في الوقت الحاضر يجب أن تحقق إنتاجًا ضخمًا مستقرًا في أقرب وقت ممكن، وما زلنا بحاجة إلى بذل الجهود في هذا الصدد. يمكننا أن نفعل ما هو جيد ويمكن أن نصبح تصنيع الأشياء، ويجب علينا أن نفعل ذلك.

المراسل: تقول بعض الشركات المصنعة أنه في الوقت الحالي في العديد من المجالات المتطورة، لا يستطيع إنتاج أجهزة أشباه الموصلات المحلية تلبية المتطلبات (مثل كفاءة الجهاز)، لماذا؟ كيفية حل هذه المشاكل؟

هاو يو: تعتبر الموصلية الحرارية العالية والخسارة المنخفضة من المزايا الكامنة في أشباه الموصلات واسعة النطاق. المشكلة هي أننا فشلنا في الاستفادة الكاملة من هذه المزايا في تطوير المنتجات. على سبيل المثال، نيتريد الغاليوم بتردد 4 جيجا هرتز بقوة خرج 100 وات، يمكن أن تصل كفاءة الجهاز إلى أكثر من 70%. بالنسبة للمواد الأخرى، يمكن أن تصل إلى 50% جيدة، ويتم تحديد الكفاءة العالية حسب طبيعة المادة. سواء كانت نيتريد الغاليوم أو كربيد السيليكون، فإن كفاءة أشباه الموصلات واسعة النطاق ذات فجوة النطاق عالية جدًا. ومع ذلك، في التطبيق اللاحق للأجهزة، من المهم جدًا ضمان انخفاض فقدان المواد في كل خطوة.

في جهاز كربيد السيليكون، على سبيل المثال، بعد الانتهاء من إنتاج التغليف، فشل الأساسي الحالي في تغليف أجهزتنا، وفقًا لخصائص الجهاز وما يجب القيام به، وما زال يعتمد وضع الأجهزة عالية الطاقة لتغليف السيليكون، وبالتالي زيادة فقدان أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة ذات الكفاءة العالية والخسارة المنخفضة كانت مغلفة للغاية، وليس لها أي تأثير أساسي. هذا مجرد مثال واحد، وأعتقد أن هناك الكثير الذي يمكن القيام به فيما يتعلق بتبني التكنولوجيا.

المراسل: إذا تم نشر تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع بشكل أكبر، فهل يمكنها تلبية المتطلبات المتطورة للأداء العالي ومقاومة درجات الحرارة العالية وعمر الخدمة الطويل للأجهزة الإلكترونية؟

هاو يو: أعتقد أنه يمكن حلها بالكامل. لأنه في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع، تتم مزامنة تكنولوجيا ومؤشرات تطوير الأجهزة لدينا بشكل أساسي مع المؤشرات الدولية، وحتى بعض المؤشرات رائدة. والسؤال هو مدى السرعة التي يمكن أن تنتقل بها هذه التقنيات من البحث والتطوير إلى الإنتاج. في الوقت الحاضر، العديد من الشركات المصنعة المحلية نفسها ليست لديها القدرة على البحث والتطوير، والأساسي هو أن تأخذ العقيدة. على سبيل المثال، قام مركزنا الوطني لأبحاث هندسة أشباه الموصلات ذات فجوة واسعة النطاق في جامعة Xidian بتطوير العديد من المواد وتقنيات الأجهزة ذات المؤشر العالي. في البداية، تمكن المصنعون من بناء الجهاز، لكن كان من الصعب الابتكار على هذا الأساس. تعتقد بلادنا أن الشركات هي الجسم الرئيسي للابتكار. إذا كانت الشركات تستخدم التكنولوجيا فقط ولكنها لا تبتكر، بغض النظر عن مدى جودة التكنولوجيا، فلا يمكن تحويلها بشكل مستمر إلى قوى إنتاجية. في الوقت الحاضر، لدى العديد من الشركات استثمارات محدودة للغاية في البحث والتطوير، ولا يزال الاستثمار الرئيسي في البحث والتطوير يعتمد على الدولة.

وبالمقارنة، تنفق إنتل أكثر من 10 مليارات دولار سنوياً على البحث والتطوير لشركات أشباه الموصلات الرائدة. ويتعين على الشركات الصينية تحسين قدرتها على الابتكار وإيجاد سبل لزيادة الاستثمار في البحث والتطوير.

المراسل: من المفهوم أن الجامعات ومعاهد البحوث يتم تقييمها بشكل أساسي من خلال نشر الأوراق البحثية. قد يجعل نظام التقييم هذا من الصعب على الجامعات والصناعات التعاون بشكل وثيق. ما هي الأدوار التي ينبغي للمدارس والمؤسسات أن تلعبها على التوالي في التحالف بين الجامعة والمؤسسات؟

هاو يو: يجب أن تستهدف أبحاث الجامعات ومعاهد البحوث الوطنية حدود العلوم والتكنولوجيا العالمية. ليس هناك شك في ذلك. من مهام الجامعات والمعاهد البحثية استكشاف الأشياء العادية ومتابعة الأشياء الجديدة باستمرار. وهذا لا ينطبق على الجامعات الصينية فحسب، بل على الجامعات في جميع أنحاء العالم. ولذلك أعتقد أنه من الصواب الاهتمام بنشر الأوراق البحثية، خاصة في المؤتمرات الأكاديمية والمجلات الأكاديمية. يجب على العلماء والعلماء أن يواجهوا حدود العلم والتكنولوجيا، ومهمة العلماء هي السعي لتحقيق أهداف أعلى.

هل ينبغي تحويل إنجازات البحث العلمي في الكليات والجامعات بسرعة إلى قوى إنتاجية حقيقية؟ أعتقد أنه بالتأكيد. ولكن كيف يمكن ضمان تحويل نتائج أبحاث الكليات والجامعات إلى إنتاجية حقيقية؟ هناك ميل لدى الأساتذة لإدارة الشركات بشكل مباشر، وهو ما أعتقد أنه أمر مشكوك فيه أيضًا. من الصعب جدًا على الأستاذ أن يكون قادرًا على مواجهة الحدود التكنولوجية وساحة المعركة الاقتصادية الرئيسية.

فكيف نحل هذه المجموعة من التناقضات؟ في رأيي، الاعتماد على مزيج من الصناعة والجامعة والبحث لتحسين قدرات البحث والتطوير الخاصة بالمؤسسة هو المفتاح لحل المشكلة. لذلك، كيفية تحقيق المؤسسة باعتبارها الهيئة الرئيسية للابتكار، وهذا هو الشيء الذي ينبغي علينا بذل جهود متضافرة.

المراسل: بعض الشركات العالمية الكبرى، مثل Clarie وInfineon، قامت بشكل أساسي بتغطية سلسلة الصناعة بأكملها بتقنياتها، من الركائز والأجهزة إلى التطبيقات. إذا كانت الشركات المحلية تتنافس مع مثل هذه الشركات وترغب في تكوين القدرة التنافسية في المجال المتطور، فكيف ينبغي لها أن تفعل؟

هاو يو: شركة Kerui متخصصة في مواد أشباه الموصلات من كربيد السيليكون في بداية الشركة، وتقوم بالمواد بالكامل. ومع نمو المادة، بدأت في تصنيع الأجهزة، ومصابيح LED الزرقاء الرأسية عالية الطاقة، ومن ثم الإلكترونيات. كانت شركة Infineon تصنع الأجهزة، وليس المواد. فقط بعد أن أصبحوا قادة العالم في مجالاتهم الخاصة، بدأوا تدريجياً في تطوير السلسلة الصناعية صعوداً وهبوطاً.

لذا، بالنسبة لمؤسساتنا، نصيحتي هي أن نفعل ما يمكننا القيام به بشكل جيد، وأن نفعل الأفضل، وأن نفعل ما لا تشوبه شائبة. لا ينبغي للمؤسسة أن تفكر في السلسلة الصناعية في البداية. يجب أن تختار مجالًا ما، وتفعل ذلك إلى أقصى الحدود، ثم تفكر في التوسع في اتجاه المنبع وفي اتجاه المصب. من المستحيل تحقيق مواد وأجهزة من الدرجة الأولى في البداية. إذن ما هو وضع المؤسسة يجب أن يكون واضحًا أولاً.

المراسل: لقد حقق نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون إنتاجًا ضخمًا. في مجال أشباه الموصلات ذي الفجوة الواسعة، ما هي المواد التي تواجه المستقبل؟

هاو يو: أعتقد أن أكسيد الغاليوم هو المادة الأكثر احتمالاً، وله فجوة نطاق أوسع من نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، حيث يصل إلى 4.6 ~ 4.8 إلكترون فولت. يظهر بحثنا الحالي أن مثل هذه المواد واعدة.

في العقد القادم أو نحو ذلك، من المرجح أن تصبح أجهزة أكسيد الغاليوم أجهزة إلكترونية قادرة على المنافسة والتي ستتنافس بشكل مباشر مع أجهزة كربيد السيليكون، تمامًا كما هو الحال مع أجهزة كربيد السيليكون وأجهزة طاقة السيليكون اليوم.

أكسيد الغاليوم غير متوفر حاليًا، اعتمادًا على التقدم في الأبحاث اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، تبلغ فجوة النطاق في مادة الألماس 5.4 إلكترون فولت. الأساس البحثي لهذا النوع من المواد والأجهزة جيد جدًا في الصين، ولكن لا تزال هناك العديد من الصعوبات التقنية في هذا النوع من المواد وتصنيعها صعب للغاية، وهو ما يعتمد على نوع التقدم التكنولوجي الذي سيتم تحقيقه في الـ 10 سنوات القادمة سنين. ومن العدل أن نقول إننا عملنا بلا كلل.

إخلاء المسؤولية: تمت إعادة طباعة هذا المقال من "China Electronic News"، وهذا المقال يمثل فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا يمثل آراء Sakwei والصناعة، فقط لإعادة الطباعة والمشاركة، ودعم حماية حقوق الملكية الفكرية، يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف، إذا كان هناك انتهاك، يرجى الاتصال بنا للحذف.