Man mano che la densità dei transistor dei circuiti integrati si avvicina al limite fisico, diventa sempre più difficile migliorare le prestazioni dei circuiti integrati semplicemente migliorando il processo di produzione. Per quanto riguarda lo sviluppo dell’era post-Moore dell’industria dei circuiti integrati, il mondo è attivamente alla ricerca di nuove tecnologie, nuovi metodi e nuovi percorsi. Al fine di promuovere ulteriormente l'innovazione tecnologica e accelerare lo sviluppo industriale dei circuiti integrati cinesi nell'era post-Moore, la China Semiconductor Industry Association e China Electronics News hanno lanciato congiuntamente una serie di rapporti intitolati "Gli accademici parlano dell'evoluzione tecnologica nell'era post-Moore Era", che intervisterà accademici in campi correlati per discutere la direzione di sviluppo dell'industria dei semiconduttori nell'era post-Moore.

Attualmente, l'industria dei dispositivi e dei materiali a semiconduttore ad ampio gap di banda (noti anche come semiconduttori di terza generazione) viene utilizzata in patria e all'estero. Perché l’industria dei semiconduttori con ampio gap di banda ha conquistato il favore del mercato? Quali sono le caratteristiche, le difficoltà e i punti critici nel processo di candidatura? In quale direzione dovrebbero svilupparsi le industrie interessate in futuro? Hao Yue ha condiviso le sue opinioni sui problemi attuali, sulle difficoltà di sviluppo e sulla direzione di sviluppo futuro dell'industria dei semiconduttori con ampio gap di banda.

Reporter: Prima di tutto vorrei chiederle di fare una breve introduzione al semiconduttore a banda larga. Quali sono le caratteristiche di questo tipo di semiconduttore e quali sono le sue applicazioni nel settore?

Hao Yue: La caratteristica più evidente del semiconduttore con gap di banda ampio è la sua larghezza di gap di banda ampia, che è più vicina all'isolante in termini di proprietà del materiale. Pertanto, il nitruro di gallio e il carburo di silicio sono rappresentati da questo tipo di materiali semiconduttori a banda larga, con elevata intensità di campo elettrico di rottura, elevata temperatura operativa, bassa resistenza di conduzione del dispositivo, elevata densità di elettroni e altri vantaggi, attualmente semiconduttori a banda larga principalmente in tre campi avere una forte competitività sul mercato.

Il primo riguarda i dispositivi RF, ovvero i dispositivi a microonde a onde millimetriche. Rispetto ai materiali semiconduttori come l'arseniuro di gallio e il silicio, i dispositivi a semiconduttore con ampio gap di banda nella banda millimetrica delle microonde hanno un'efficienza operativa e una potenza di uscita significativamente più elevate e sono adatti per dispositivi di potenza RF. I dispositivi Rf per uso civile vengono utilizzati principalmente nelle comunicazioni mobili, comprese in futuro le comunicazioni 4G, 5G e 6G. Ad esempio, le stazioni base di comunicazione mobile 4G e 5G recentemente installate in Cina utilizzano quasi tutte dispositivi al nitruro di gallio. In particolare, la stazione base 5G adotta il sistema di ricetrasmissione MIMO. Ciascuna stazione base trasmette e riceve 64 canali e il suo consumo energetico è più di tre volte quello della stazione base 4G. Inoltre, la densità della stazione base è superiore a quella della stazione base 4G, quindi è quasi impossibile utilizzare dispositivi al nitruro di gallio ad alta efficienza. In futuro, la frequenza di comunicazione 6G sarà più elevata e il numero di stazioni base sarà più importante.

Il secondo riguarda i dispositivi elettronici ad alta potenza. Sono necessari dispositivi elettronici di potenza ad alta potenza e alta efficienza per dispositivi di ricarica rapida, sistemi di trasmissione e trasformazione di potenza, trasporto ferroviario, veicoli elettrici e pile di ricarica. Senza dubbio il semiconduttore ad ampio gap di banda, in particolare il carburo di silicio, il nitruro di gallio presenta vantaggi più evidenti rispetto ad altri materiali semiconduttori.

Il terzo sono i dispositivi fotoelettrici. Il semiconduttore ad ampio gap di banda presenta evidenti vantaggi soprattutto nei dispositivi optoelettronici a lunghezza d'onda corta. La luce blu, ad esempio, ora utilizza il nitruro di gallio per tutta l’illuminazione a semiconduttore. Alla luce viola, alla luce ultravioletta e persino alla luce gialla, la luce verde può essere utilizzata direttamente come materiali semiconduttori di nitruro.

Naturalmente ci sono altre aree di applicazione, come rilevatori, sensori e così via, l'applicazione è molto ampia.

Nota: secondo i dati, la dimensione del mercato dei dispositivi a semiconduttori a banda larga ha mostrato una tendenza al rialzo molto evidente dal 2017. Secondo te, i semiconduttori a banda larga hanno il potenziale per essere una tecnologia dirompente nell'era post-moresca, e in che misura sostituiranno il silicio?

Hao Yue: Nell'era post-Moore, i chip dei circuiti integrati in silicio devono affrontare grandi sfide in termini di integrazione e consumo energetico, il che rallenta la legge di Moore sull'integrazione dei chip ogni 18 mesi. Pertanto, si cercano nuove soluzioni, comprese nuove soluzioni di circuiti integrati 3D in silicio e chip di sistema. I chip di sistema sono anche chiamati Più della Legge di Moore, che si riferisce alla continua espansione dei circuiti integrati in silicio per integrarsi con altri materiali o campi applicativi per aprire nuovi mercati applicativi.

Penso che i circuiti integrati in silicio siano altamente integrati con altri tipi di semiconduttori, come semiconduttori compositi e dispositivi in ​​silicio, composti in crescita su substrati di silicio, che è un campo molto interessante e molto promettente nell'era post-Molare. Si tratta inoltre di una direzione importante per lo sviluppo futuro di dispositivi a semiconduttore e circuiti integrati ad ampio gap di banda.

Tuttavia, è impossibile che i materiali semiconduttori con ampio gap di banda possano sostituire il silicio. Oltre il 90% dei circuiti integrati utilizza ancora semiconduttori a base di silicio, così come celle solari, costituite principalmente da silicio. I dispositivi a semiconduttori e i circuiti integrati ad ampio gap di banda occupano solo una piccola quota nel mercato globale dei semiconduttori, utilizzati principalmente in dispositivi RF ad alta potenza, dispositivi elettronici di potenza e dispositivi optoelettronici a lunghezza d'onda corta. Il silicio è ancora il materiale semiconduttore dominante. Poiché i materiali in silicio sono difficili da emettere luce e migliorano la potenza di uscita alle alte frequenze, i semiconduttori a banda larga hanno uno spazio di sviluppo indipendente e un enorme mercato applicativo.

Reporter: quali difficoltà esistono ancora nel processo di promozione dei materiali e dei dispositivi semiconduttori ad ampio gap di banda della Cina nel settore, quali sono le ragioni di queste difficoltà e come risolverle?

Hao Yue: Al momento, l'industria cinese dei semiconduttori si trova ad affrontare un problema di "colli di bottiglia", soprattutto nelle attrezzature e nei materiali chiave. Tuttavia, in termini di apparecchiature per semiconduttori ad ampio gap di banda, attualmente abbiamo raggiunto la localizzazione nella maggior parte dei campi, dalla crescita dei materiali, al processo di dispositivi e circuiti per testare le apparecchiature di imballaggio, il domestico fondamentalmente può soddisfare le esigenze. Solo la litografia è rimasta irrisolta. In effetti, il processo di fotolitografia necessario per un semiconduttore ad ampio gap di banda come il nitruro di gallio non necessita di essere molto avanzato. È sufficiente una precisione fotolitografica di 90 nanometri. Con il supporto delle politiche nazionali pertinenti, possiamo realizzare questa tecnologia. La macchina per fotoincisione attualmente sviluppata con successo dovrebbe raggiungere una produzione di massa stabile il prima possibile e dobbiamo ancora compiere sforzi in questo senso. Possiamo fare bene, può diventare l'industrializzazione delle cose, dobbiamo farlo.

Reporter: alcuni produttori affermano che attualmente in molti campi all'avanguardia, la produzione nazionale di dispositivi a semiconduttore non è in grado di soddisfare i requisiti (come l'efficienza del dispositivo), perché? Come risolvere questi problemi?

Hao Yue: L'elevata conduttività termica e le basse perdite sono vantaggi intrinseci dei semiconduttori a banda larga. Il problema è che non siamo riusciti a sfruttare appieno questi vantaggi nello sviluppo del prodotto. Ad esempio, con il nitruro di gallio a una frequenza di 4 GHz con una potenza di uscita di 100 W, l'efficienza del dispositivo può raggiungere oltre il 70%. Per altri materiali, può raggiungere il 50% va bene, l'alta efficienza è determinata dalla natura del materiale. Che si tratti di nitruro di gallio o carburo di silicio, l'efficienza dei semiconduttori con ampio gap di banda è molto elevata. Tuttavia, nella successiva applicazione dei dispositivi, è molto importante garantire una bassa perdita di materiali in ogni fase.

Nel dispositivo in carburo di silicio, ad esempio, dopo il completamento della produzione dell'imballaggio, l'attuale confezione del nostro dispositivo non è riuscita, in conformità con le caratteristiche del dispositivo e dovrebbe essere adottata ancora la modalità dei dispositivi ad alta potenza di incapsulamento del silicio, in tal modo è aumentata la perdita dell'elevata efficienza del semiconduttore ad ampio gap di banda e la bassa perdita è stata tale che l'incapsulamento, di base non ha alcun effetto. Questo è solo un esempio e penso che si possa fare molto di più in termini di adozione della tecnologia.

Reporter: Se la tecnologia dei semiconduttori con ampio gap di banda fosse ulteriormente diffusa, sarà in grado di soddisfare i requisiti di fascia alta di alte prestazioni, resistenza alle alte temperature e lunga durata dei dispositivi elettronici?

Hao Yue: Penso che la cosa possa essere completamente risolta. Perché nel settore dei semiconduttori con ampio gap di banda, la nostra tecnologia e gli indicatori di sviluppo dei dispositivi sono sostanzialmente sincronizzati con quelli internazionali e persino alcuni indicatori sono in vantaggio. La domanda è quanto velocemente queste tecnologie potranno passare dalla ricerca e sviluppo alla produzione. Allo stato attuale, molti produttori nazionali stessi non hanno capacità di ricerca e sviluppo, la base è adottare la dottrina. Ad esempio, il nostro Centro nazionale di ricerca ingegneristica sui semiconduttori a banda larga presso l'Università di Xidian ha sviluppato molti materiali e tecnologie di dispositivi ad alto indice. All’inizio i produttori erano in grado di costruire il dispositivo, ma era difficile innovare su quella base. Il nostro Paese ritiene che le imprese siano il principale organismo dell’innovazione. Se le imprese si limitano a utilizzare la tecnologia ma non innovano, non importa quanto buona sia la tecnologia, non può essere continuamente trasformata in forze produttive. Attualmente, molte imprese hanno investimenti molto limitati nella RICERCA e nello sviluppo, e il principale investimento in ricerca e sviluppo dipende ancora dallo Stato.

In confronto, Intel spende più di 10 miliardi di dollari all’anno in ricerca e sviluppo delle principali aziende di semiconduttori. Le imprese cinesi dovrebbero migliorare la propria capacità di innovazione e anche trovare modi per aumentare gli investimenti in ricerca e sviluppo.

Reporter: Resta inteso che le università e gli istituti di ricerca vengono valutati principalmente attraverso la pubblicazione di articoli. Questo sistema di valutazione potrebbe rendere difficile una stretta collaborazione tra università e industrie. Che ruolo dovrebbero svolgere rispettivamente la scuola e l'impresa nell'alleanza università-impresa?

Hao Yue: La ricerca delle università e degli istituti di ricerca nazionali deve puntare alla frontiera della scienza e della tecnologia mondiale. Non ci sono dubbi su questo. Uno dei compiti delle università e degli istituti di ricerca è esplorare le cose abituali e perseguire costantemente cose nuove. Questo è vero non solo nelle università cinesi, ma in quelle di tutto il mondo. Pertanto, penso che sia giusto attribuire importanza alla pubblicazione di articoli, soprattutto in conferenze e riviste accademiche. Scienziati e scienziati dovrebbero affrontare le frontiere della scienza e della tecnologia e la missione degli scienziati è perseguire obiettivi più elevati.

I risultati della ricerca scientifica dei college e delle università dovrebbero essere rapidamente trasformati in vere e proprie forze produttive? Penso che lo sia certamente. Ma come garantire che i risultati della ricerca dei college e delle università possano trasformarsi in produttività reale? C’è la tendenza da parte dei professori a gestire direttamente le aziende, il che penso sia anch’esso discutibile. È molto difficile per un professore riuscire ad affrontare sia la frontiera tecnologica che il principale campo di battaglia economico.

Allora come risolvere questo insieme di contraddizioni? A mio parere, fare affidamento sulla combinazione di industria, università e ricerca per migliorare le capacità di RICERCA e di sviluppo delle imprese è la chiave per risolvere il problema. Pertanto, come realizzare l'impresa come corpo principale dell'innovazione, questo è qualcosa su cui dovremmo compiere sforzi concertati.

Reporter: Alcune grandi aziende internazionali, come Clarie e Infineon, hanno sostanzialmente coperto l'intera catena industriale con le loro tecnologie, dai substrati, ai dispositivi fino alle applicazioni. Se le imprese nazionali competono con tali imprese e vogliono creare competitività nel campo di fascia alta, come dovrebbero fare?

Hao Yue: La società Kerui è specializzata in materiali semiconduttori al carburo di silicio all'inizio dell'azienda, produce completamente materiali. Man mano che il materiale cresceva, iniziò a produrre dispositivi, LED blu verticali ad alta potenza e poi componenti elettronici. Infineon realizza dispositivi, non materiali. Solo dopo essere diventati leader mondiali nei rispettivi settori, hanno iniziato gradualmente a svilupparsi lungo la catena industriale.

Quindi, per le nostre imprese, il mio consiglio è di fare bene ciò che sappiamo fare, fare il meglio, fare in modo impeccabile. Un'impresa non dovrebbe considerare la catena industriale fin dall'inizio. Dovrebbe scegliere un campo, farlo fino all’estremo, e poi prendere in considerazione l’espansione a monte e a valle. All'inizio è impossibile ottenere materiali e dispositivi di prima classe. Quindi, qual è il posizionamento dell'impresa, dovrebbe essere chiaro innanzitutto.

Reporter: Il nitruro di gallio e il carburo di silicio hanno raggiunto la produzione di massa. Nel campo dei semiconduttori ad ampio gap di banda, quali sono i materiali che dovranno affrontare il futuro?

Hao Yue: Penso che l'ossido di gallio sia il materiale più probabile, che ha una banda proibita più ampia rispetto al nitruro di gallio e al carburo di silicio, raggiungendo 4.6~4.8 elettronvolt. La nostra attuale ricerca mostra che tali materiali sono promettenti.

Nel prossimo decennio circa, i dispositivi all'ossido di gallio diventeranno probabilmente dispositivi elettronici di potenza competitivi che competeranno direttamente con i dispositivi al carburo di silicio, proprio come lo sono oggi i dispositivi al carburo di silicio e ai dispositivi di potenza al silicio.

L'ossido di gallio non è attualmente disponibile, a seconda dello stato di avanzamento delle ricerche successive. Inoltre, la banda proibita del materiale diamantato è di 5.4 elettronvolt. La base di ricerca su questo tipo di materiali e dispositivi è molto buona in Cina, ma ci sono ancora molte difficoltà tecniche in questo tipo di materiale e la sua industrializzazione è piuttosto difficile, il che dipende dal tipo di progresso tecnologico che verrà realizzato nei prossimi 10 anni. anni. È giusto dire che abbiamo lavorato instancabilmente.

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