Khi mật độ bóng bán dẫn IC tiến gần đến giới hạn vật lý, việc cải thiện hiệu suất của IC chỉ bằng cách cải thiện quy trình sản xuất ngày càng trở nên khó khăn hơn. Xung quanh cách phát triển ngành công nghiệp vi mạch trong kỷ nguyên hậu Moore, thế giới đang tích cực tìm kiếm các công nghệ mới, phương pháp mới và con đường mới. Để thúc đẩy hơn nữa sự đổi mới công nghệ và đẩy nhanh sự phát triển công nghiệp của các mạch tích hợp của Trung Quốc trong thời kỳ hậu Moore, Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Trung Quốc và China Electronics News đã cùng nhau đưa ra một loạt báo cáo có tiêu đề "Các học giả nói về sự tiến hóa công nghệ trong thời kỳ hậu Moore". Era", sẽ phỏng vấn các học giả trong các lĩnh vực liên quan để thảo luận về hướng phát triển của ngành bán dẫn trong thời kỳ hậu Moore.

Hiện nay, ngành công nghiệp vật liệu và thiết bị bán dẫn khoảng cách băng rộng (còn được gọi là chất bán dẫn thế hệ thứ ba) đang được triển khai trong và ngoài nước. Tại sao ngành công nghiệp bán dẫn có khoảng cách băng rộng lại giành được sự ưu ái trên thị trường? Đặc điểm, khó khăn và điểm yếu trong quá trình nộp đơn là gì? Các ngành liên quan cần phát triển theo hướng nào trong tương lai? Hao Yue chia sẻ quan điểm của mình về những vấn đề hiện tại, những khó khăn phát triển và hướng phát triển trong tương lai của ngành bán dẫn khoảng cách băng rộng.

Phóng viên: Trước hết, tôi xin giới thiệu ngắn gọn về chất bán dẫn băng rộng. Đặc điểm của loại chất bán dẫn này là gì và ứng dụng của nó trong công nghiệp là gì?

Hao Yue: Đặc điểm rõ ràng nhất của chất bán dẫn vùng cấm rộng là độ rộng vùng cấm rộng, gần với chất cách điện hơn về tính chất vật liệu. Do đó, gali nitrit và cacbua silic được đại diện bởi loại vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải rộng này, với cường độ điện trường phân hủy cao, nhiệt độ hoạt động cao, điện trở dẫn của thiết bị thấp, mật độ điện tử cao và các ưu điểm khác, hiện nay chất bán dẫn khoảng cách dải rộng chủ yếu ở ba lĩnh vực có sức cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.

Đầu tiên là thiết bị rf, cụ thể là thiết bị sóng milimet vi sóng. So với các vật liệu bán dẫn như gali arsenide và silicon, các thiết bị bán dẫn có khoảng cách dải rộng trong dải vi sóng milimet có hiệu suất làm việc và công suất đầu ra cao hơn đáng kể và phù hợp với các thiết bị nguồn rf. Các thiết bị Rf dùng trong dân dụng chủ yếu được sử dụng trong thông tin di động, bao gồm cả thông tin liên lạc 4G, 5G và 6G trong tương lai. Ví dụ, các trạm gốc thông tin di động 4G và 5G mới lắp đặt ở Trung Quốc hầu như đều sử dụng thiết bị gali nitrit. Đặc biệt, trạm gốc THE 5G áp dụng hệ thống thu phát MIMO. Mỗi trạm gốc truyền và nhận 64 kênh và mức tiêu thụ điện năng của nó cao hơn ba lần so với trạm gốc 4G. Hơn nữa, mật độ của trạm gốc cao hơn so với trạm gốc 4G nên gần như không thể sử dụng các thiết bị gallium nitride hiệu suất cao. Trong tương lai, tần số liên lạc 6G sẽ cao hơn và số lượng trạm gốc sẽ nổi bật hơn.

Thứ hai là các thiết bị điện tử công suất cao. Các thiết bị điện tử công suất cao và hiệu suất cao là cần thiết cho các thiết bị sạc nhanh, hệ thống truyền tải và biến đổi điện, vận chuyển đường sắt, xe điện và cọc sạc. Không còn nghi ngờ gì nữa, chất bán dẫn có khoảng cách dải rộng, đặc biệt là cacbua silic, gali nitrit có nhiều ưu điểm rõ ràng hơn các vật liệu bán dẫn khác.

Thứ ba là các thiết bị quang điện. Chất bán dẫn vùng cấm rộng có những ưu điểm rõ ràng, đặc biệt là trong các thiết bị quang điện tử bước sóng ngắn. Ví dụ, ánh sáng xanh hiện sử dụng gali nitrit cho tất cả các loại đèn bán dẫn. Trong ánh sáng tím, tia cực tím và thậm chí cả ánh sáng vàng, ánh sáng xanh có thể được sử dụng trực tiếp làm vật liệu bán dẫn nitrit.

Tất nhiên, có những lĩnh vực ứng dụng khác, chẳng hạn như máy dò, cảm biến, v.v., ứng dụng rất rộng.

Lưu ý: Theo dữ liệu, quy mô thị trường của các thiết bị bán dẫn khoảng cách băng rộng đã cho thấy xu hướng tăng rất rõ ràng kể từ năm 2017. Theo bạn, liệu chất bán dẫn băng rộng có tiềm năng trở thành một công nghệ đột phá trong thời kỳ hậu Moorish hay không, và chúng sẽ thay thế silicon ở mức độ nào?

Hao Yue: Trong thời kỳ hậu Moore, chip mạch tích hợp silicon phải đối mặt với những thách thức lớn về khả năng tích hợp và tiêu thụ điện năng, điều này làm chậm lại định luật tích hợp chip của Moore sau mỗi 18 tháng. Do đó, các giải pháp mới được tìm kiếm, bao gồm các giải pháp mới về mạch tích hợp silicon 3D và chip hệ thống. Chip hệ thống còn được gọi là Định luật More than Moore, ám chỉ sự mở rộng liên tục của các mạch tích hợp silicon để tích hợp với các vật liệu khác hoặc các lĩnh vực ứng dụng nhằm mở ra các thị trường ứng dụng mới.

Tôi nghĩ mạch tích hợp silicon có khả năng tích hợp cao với các loại chất bán dẫn khác, chẳng hạn như chất bán dẫn phức hợp và thiết bị silicon, phát triển các hợp chất trên nền silicon, đây là một lĩnh vực rất thú vị, rất hứa hẹn trong thời kỳ hậu Molar. Đây cũng là một hướng quan trọng để phát triển các thiết bị bán dẫn và mạch tích hợp có dải tần rộng trong tương lai.

Tuy nhiên, vật liệu bán dẫn khe rộng không thể thay thế silicon. Hơn 90% mạch tích hợp vẫn sử dụng chất bán dẫn gốc silicon, cũng như pin mặt trời, chủ yếu được làm từ silicon. Các thiết bị bán dẫn và mạch tích hợp có khoảng cách băng rộng chỉ chiếm một phần nhỏ trong thị trường bán dẫn toàn cầu, chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị rf công suất cao, thiết bị điện tử công suất và thiết bị quang điện tử bước sóng ngắn. Silicon vẫn là vật liệu bán dẫn chiếm ưu thế. Do vật liệu silicon khó phát ra ánh sáng và cải thiện công suất đầu ra ở tần số cao nên chất bán dẫn băng rộng có không gian phát triển độc lập và thị trường ứng dụng khổng lồ.

Phóng viên: Những khó khăn nào vẫn còn tồn tại trong quá trình quảng bá vật liệu và thiết bị bán dẫn khoảng cách băng rộng của Trung Quốc cho ngành công nghiệp, nguyên nhân của những khó khăn này là gì và cách giải quyết?

Hao Yue: Hiện tại, ngành bán dẫn Trung Quốc đang gặp vấn đề “nút cổ chai”, chủ yếu ở các thiết bị và vật liệu chủ chốt. Tuy nhiên, về mặt thiết bị bán dẫn khoảng cách băng rộng, hiện tại chúng tôi đã đạt được nội địa hóa trong hầu hết các lĩnh vực, từ phát triển vật liệu, quy trình thiết bị và mạch điện đến thiết bị đóng gói thử nghiệm, trong nước về cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu. Chỉ có in thạch bản vẫn chưa được giải quyết. Trên thực tế, quy trình quang khắc cần thiết cho chất bán dẫn có vùng cấm rộng như gali nitrit không cần phải quá phức tạp. Độ chính xác của quang khắc là 90 nanomet là đủ. Với sự hỗ trợ của các chính sách quốc gia có liên quan, chúng ta có thể đạt được công nghệ này. Máy khắc ảnh đã được phát triển thành công hiện nay phải đạt được sản lượng hàng loạt ổn định trong thời gian sớm nhất và chúng ta vẫn cần nỗ lực trong vấn đề này. Chúng ta làm tốt có thể trở thành công nghiệp hóa mọi thứ, chúng ta phải làm điều đó.

Phóng viên: Một số nhà sản xuất cho rằng hiện nay trong nhiều lĩnh vực tiên tiến, việc sản xuất thiết bị bán dẫn trong nước không thể đáp ứng được yêu cầu (chẳng hạn như hiệu suất của thiết bị), tại sao? Làm thế nào để giải quyết những vấn đề này?

Hao Yue: Độ dẫn nhiệt cao và tổn thất thấp là ưu điểm vốn có của chất bán dẫn dải rộng. Vấn đề là chúng ta đã không tận dụng được hết những lợi thế này trong việc phát triển sản phẩm. Ví dụ, gallium nitride ở tần số 4GHz có công suất đầu ra 100W, hiệu suất thiết bị có thể đạt hơn 70%. Đối với các loại vật liệu khác, có thể đạt tới 50% là tốt, hiệu quả cao được quyết định bởi tính chất của vật liệu. Dù là gali nitrit hay cacbua silic, hiệu suất bán dẫn khoảng cách dải rộng đều rất cao. Tuy nhiên, trong ứng dụng tiếp theo của thiết bị, điều rất quan trọng là đảm bảo tổn thất vật liệu thấp trong mỗi bước.

Ví dụ, trong thiết bị cacbua silic, sau khi hoàn thành việc sản xuất bao bì, cơ bản hiện tại không thể đóng gói thiết bị của chúng tôi, phù hợp với đặc điểm của thiết bị và cần phải làm, vẫn áp dụng chế độ đóng gói silicon của thiết bị công suất cao, do đó làm tăng tổn thất của chất bán dẫn có dải rộng, hiệu quả cao và tổn thất thấp nên việc đóng gói, cơ bản không có tác dụng. Đây chỉ là một ví dụ và tôi nghĩ còn rất nhiều điều có thể làm được về mặt áp dụng công nghệ.

Phóng viên: Nếu công nghệ bán dẫn khoảng cách băng rộng được phổ biến hơn nữa, liệu nó có thể đáp ứng các yêu cầu cao cấp về hiệu suất cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và tuổi thọ lâu dài của các thiết bị điện tử không?

Hao Yue: Tôi nghĩ nó có thể giải quyết được hoàn toàn. Bởi vì trong chất bán dẫn có khoảng cách băng rộng, công nghệ phát triển thiết bị và các chỉ báo của chúng tôi về cơ bản được đồng bộ hóa với quốc tế và thậm chí một số chỉ báo đang dẫn đầu. Câu hỏi đặt ra là những công nghệ này có thể chuyển từ nghiên cứu và phát triển sang sản xuất nhanh đến mức nào. Hiện nay, bản thân nhiều nhà sản xuất trong nước không có khả năng R&D, điều cơ bản là phải học theo học thuyết. Ví dụ, Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Quốc gia về Bán dẫn Khoảng cách Dải rộng của chúng tôi tại Đại học Xidian đã phát triển nhiều công nghệ thiết bị và vật liệu có chỉ số cao. Lúc đầu, các nhà sản xuất có thể chế tạo được thiết bị nhưng rất khó để đổi mới trên cơ sở đó. Nước ta tin rằng doanh nghiệp là cơ quan chủ yếu của sự đổi mới. Nếu doanh nghiệp chỉ sử dụng công nghệ mà không đổi mới thì công nghệ dù có tốt đến đâu cũng không thể liên tục biến thành lực lượng sản xuất. Hiện nay, nhiều doanh nghiệp đầu tư cho R&D rất hạn chế, việc đầu tư chủ yếu cho R&D vẫn phụ thuộc vào nhà nước.

Để so sánh, Intel chi hơn 10 tỷ USD mỗi năm cho hoạt động nghiên cứu và phát triển của các công ty bán dẫn hàng đầu. Các doanh nghiệp Trung Quốc nên nâng cao năng lực đổi mới và tìm cách tăng cường đầu tư vào R&D.

PV: Được hiểu, các trường đại học, viện nghiên cứu chủ yếu được đánh giá bằng việc công bố các bài báo. Hệ thống đánh giá này có thể gây khó khăn cho các trường đại học và các ngành công nghiệp hợp tác chặt chẽ. Trường học và doanh nghiệp nên đóng vai trò gì trong liên minh đại học-doanh nghiệp?

Hao Yue: Nghiên cứu của các trường đại học, viện nghiên cứu quốc gia phải hướng tới đỉnh cao của khoa học công nghệ thế giới. Không có nghi ngờ gì về điều đó. Một trong những nhiệm vụ của các trường đại học và viện nghiên cứu là khám phá những điều thường xuyên và không ngừng theo đuổi những điều mới. Điều này đúng không chỉ ở các trường đại học Trung Quốc mà còn đúng ở các trường đại học trên khắp thế giới. Vì vậy, tôi nghĩ việc coi trọng việc xuất bản các bài báo, đặc biệt là trong các hội nghị học thuật và tạp chí học thuật là đúng đắn. Các nhà khoa học và nhà khoa học phải đối mặt với ranh giới của khoa học và công nghệ, và sứ mệnh của các nhà khoa học là theo đuổi những mục tiêu cao hơn.

Thành tựu nghiên cứu khoa học của các trường cao đẳng, đại học có nên nhanh chóng biến thành lực lượng sản xuất thực sự? Tôi nghĩ chắc chắn là như vậy. Nhưng làm thế nào để đảm bảo kết quả nghiên cứu của các trường cao đẳng, đại học có thể chuyển hóa thành năng suất thực tế? Có xu hướng các giáo sư trực tiếp điều hành công ty, điều này tôi nghĩ cũng đáng nghi ngờ. Rất khó để một giáo sư có thể đối mặt với cả biên giới công nghệ và chiến trường kinh tế chính.

Vậy làm thế nào để giải quyết nhóm mâu thuẫn này? Theo tôi, dựa vào sự kết hợp giữa công nghiệp, đại học và nghiên cứu để nâng cao năng lực NGHIÊN CỨU và phát triển của chính doanh nghiệp là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Vì vậy, làm thế nào để biến doanh nghiệp thành chủ thể chính của sự đổi mới, đây là điều chúng ta nên nỗ lực đồng bộ.

Phóng viên: Một số công ty quốc tế lớn, chẳng hạn như Clarie và Infineon, về cơ bản đã bao phủ toàn bộ chuỗi ngành bằng công nghệ của họ, từ chất nền, thiết bị đến ứng dụng. Nếu doanh nghiệp trong nước cạnh tranh với doanh nghiệp đó, muốn hình thành năng lực cạnh tranh ở lĩnh vực cao cấp thì phải làm thế nào?

Hao Yue: Công ty Kerui chuyên về vật liệu bán dẫn cacbua silic khi mới thành lập công ty, hoàn toàn làm vật liệu. Khi vật liệu phát triển, nó bắt đầu chế tạo các thiết bị, đèn LED xanh công suất cao thẳng đứng và sau đó là thiết bị điện tử. Infineon đang sản xuất thiết bị chứ không phải vật liệu. Chỉ sau khi họ trở thành người dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực của mình, họ mới dần bắt đầu phát triển lên xuống trong chuỗi công nghiệp.

Vì vậy, đối với các doanh nghiệp của chúng ta, lời khuyên của tôi là hãy làm tốt những gì có thể làm tốt, làm tốt nhất, làm hoàn hảo. Doanh nghiệp không nên xem xét dây chuyền công nghiệp ngay từ đầu. Nên chọn một lĩnh vực, làm đến mức tối đa, sau đó xem xét mở rộng thượng nguồn và hạ nguồn. Không thể đạt được vật liệu và thiết bị hạng nhất ngay từ đầu. Vậy định vị doanh nghiệp là gì, trước hết cần phải rõ ràng.

Phóng viên: Gallium nitride và silicon cacbua đã đạt được sản xuất hàng loạt. Trong lĩnh vực bán dẫn dải rộng, vật liệu nào sẽ hướng tới tương lai?

Hao Yue: Tôi nghĩ gali oxit là vật liệu có khả năng nhất, có khoảng cách dải rộng hơn gali nitrit và cacbua silic, đạt 4.6 ~ 4.8 electron volt. Nghiên cứu hiện tại của chúng tôi cho thấy những vật liệu như vậy rất hứa hẹn.

Trong khoảng thập kỷ tới, các thiết bị gali oxit có khả năng trở thành các thiết bị điện tử công suất cạnh tranh, sẽ cạnh tranh trực tiếp với các thiết bị cacbua silic, giống như các thiết bị cacbua silic và năng lượng silicon ngày nay.

Gallium oxit hiện không có sẵn, tùy thuộc vào tiến độ nghiên cứu tiếp theo. Ngoài ra, vùng cấm của vật liệu kim cương là 5.4 electron volt. Nền tảng nghiên cứu loại vật liệu và thiết bị này ở Trung Quốc rất tốt, nhưng loại vật liệu này vẫn còn nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và quá trình công nghiệp hóa nó khá khó khăn, điều này phụ thuộc vào loại đột phá công nghệ nào sẽ được thực hiện trong 10 năm tới. năm. Công bằng mà nói thì chúng tôi đã làm việc không mệt mỏi.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được in lại từ "Tin tức điện tử Trung Quốc", bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sakwei và ngành, chỉ in lại và chia sẻ, ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng cho biết nguồn gốc và tác giả, nếu có vi phạm vui lòng liên hệ để xóa.