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Hao Yue, académico de la Academia de Ciencias de China: el desarrollo de semiconductores de banda ancha no sólo puede utilizarse sin innovación

hora de lanzamiento:2022-03-08Fuente del autor:SlkorExplorar:2577

A medida que la densidad del transistor IC se acerca al límite físico, resulta cada vez más difícil mejorar el rendimiento del IC únicamente mejorando el proceso de fabricación. En torno a cómo desarrollar la era de la industria de circuitos integrados posterior a Moore, el mundo está buscando activamente nuevas tecnologías, nuevos métodos y nuevos caminos. Para promover aún más la innovación tecnológica y acelerar el desarrollo industrial de los circuitos integrados de China en la era posterior a Moore, la Asociación de la Industria de Semiconductores de China y China Electronics News lanzaron conjuntamente una serie de informes titulados "Los académicos hablan sobre la evolución de la tecnología en la era posterior a Moore". Era", que entrevistará a académicos de campos relacionados para discutir la dirección del desarrollo de la industria de semiconductores en la era posterior a Moore.

En la actualidad, la industria de materiales y dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha (también conocidos como semiconductores de tercera generación) se está implementando en el país y en el extranjero. ¿Por qué la industria de semiconductores de banda ancha se ha ganado el favor del mercado? ¿Cuáles son las características, dificultades y puntos débiles del proceso de solicitud? ¿En qué dirección deberían desarrollarse las industrias relevantes en el futuro? Hao Yue compartió sus puntos de vista sobre los problemas actuales, las dificultades de desarrollo y la dirección futura del desarrollo de la industria de semiconductores de banda ancha.

Periodista: En primer lugar, me gustaría pedirle que haga una breve introducción a los semiconductores de banda ancha. ¿Cuáles son las características de este tipo de semiconductores y cuáles son sus aplicaciones en la industria?

Hao Yue: La característica más obvia del semiconductor de banda prohibida ancha es su ancho de banda prohibida ancha, que se acerca más al aislante en términos de propiedades del material. Por lo tanto, el nitruro de galio y el carburo de silicio representados por este tipo de materiales semiconductores de banda prohibida ancha, con alta intensidad de campo eléctrico de ruptura, alta temperatura de funcionamiento, baja resistencia de conducción del dispositivo, alta densidad de electrones y otras ventajas, actualmente semiconductores de banda prohibida ancha principalmente en tres campos tener una fuerte competitividad en el mercado.

El primero son los dispositivos de RF, es decir, los dispositivos de ondas milimétricas de microondas. En comparación con materiales semiconductores como el arseniuro de galio y el silicio, los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha en banda milimétrica de microondas tienen una eficiencia de trabajo y potencia de salida significativamente mayores, y son adecuados para dispositivos de potencia de RF. Los dispositivos de RF para uso civil se utilizan principalmente en comunicaciones móviles, incluidas en el futuro comunicaciones 4G, 5G y 6G. Por ejemplo, casi todas las estaciones base de comunicaciones móviles 4G y 5G recientemente instaladas en China utilizan dispositivos de nitruro de galio. En particular, la estación base 5G adopta el sistema de transceptor MIMO. Cada estación base transmite y recibe 64 canales y su consumo de energía es más de tres veces mayor que el de la estación base 4G. Además, la densidad de la estación base es mayor que la de la estación base 4G, por lo que es casi imposible utilizar dispositivos de nitruro de galio de alta eficiencia. En el futuro, la frecuencia de comunicación 6G será mayor y la cantidad de estaciones base será más prominente.

El segundo son los dispositivos electrónicos de alta potencia. Se necesitan dispositivos electrónicos de potencia de alta potencia y alta eficiencia para dispositivos de carga rápida, sistemas de transmisión y transformación de energía, tránsito ferroviario, vehículos eléctricos y pilas de carga. Sin duda, los semiconductores de banda prohibida ancha, especialmente el carburo de silicio y el nitruro de galio, tienen ventajas más obvias que otros materiales semiconductores.

El tercero son los dispositivos fotoeléctricos. El semiconductor de banda prohibida ancha tiene ventajas obvias, especialmente en dispositivos optoelectrónicos de longitud de onda corta. La luz azul, por ejemplo, ahora utiliza nitruro de galio para toda la iluminación de semiconductores. En luz violeta, luz ultravioleta e incluso en luz amarilla, la luz verde se puede utilizar directamente como material semiconductor de nitruro.

Por supuesto, existen otras áreas de aplicación, como detectores, sensores, etc., la aplicación es muy amplia.

Nota: Según los datos, el tamaño del mercado de dispositivos semiconductores de banda ancha ha mostrado una tendencia ascendente muy obvia desde 2017. En su opinión, ¿tienen los semiconductores de banda ancha el potencial de ser una tecnología disruptiva en la era post-morisca? ¿Y en qué medida sustituirán al silicio?

Hao Yue: En la era posterior a Moore, los chips de circuitos integrados de silicio enfrentan grandes desafíos en términos de integración y consumo de energía, lo que ralentiza la ley de integración de chips de Moore cada 18 meses. Por lo tanto, se buscan nuevas soluciones, incluidas nuevas soluciones de circuitos integrados 3D de silicio y chips de sistemas. Los chips de sistema también se denominan Más que la Ley de Moore, que se refiere a la expansión continua de los circuitos integrados de silicio para integrarlos con otros materiales o campos de aplicación para abrir nuevos mercados de aplicaciones.

Creo que los circuitos integrados de silicio están altamente integrados con otros tipos de semiconductores, como los semiconductores compuestos y los dispositivos de silicio, compuestos en crecimiento sobre sustratos de silicio, lo cual es un campo muy interesante y muy prometedor en la era post-Molar. También es una dirección importante para el desarrollo de dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha y circuitos integrados en el futuro.

Sin embargo, es imposible que los materiales semiconductores de banda ancha reemplacen al silicio. Más del 90% de los circuitos integrados todavía utilizan semiconductores basados ​​en silicio, así como células solares, que están hechas principalmente de silicio. Los dispositivos semiconductores de banda ancha y los circuitos integrados solo ocupan una pequeña participación en el mercado mundial de semiconductores, y se utilizan principalmente en dispositivos de RF de alta potencia, dispositivos electrónicos de potencia y dispositivos optoelectrónicos de longitud de onda corta. El silicio sigue siendo el material semiconductor dominante. Debido a que es difícil que los materiales de silicio emitan luz y mejoren la potencia de salida a altas frecuencias, los semiconductores de banda ancha tienen un espacio de desarrollo independiente y un enorme mercado de aplicaciones.

Periodista: ¿Qué dificultades existen todavía en el proceso de promoción de los materiales y dispositivos semiconductores de banda ancha de China en la industria, cuáles son las razones de estas dificultades y cómo resolverlas?

Hao Yue: En la actualidad, la industria de semiconductores de China se enfrenta a un problema de "cuellos de botella", principalmente en equipos y materiales clave. Sin embargo, en términos de equipos semiconductores de banda ancha, hemos logrado la localización en la mayoría de los campos en la actualidad, desde el crecimiento de materiales, procesos de dispositivos y circuitos hasta equipos de embalaje de prueba, el mercado nacional básicamente puede satisfacer las necesidades. Sólo la litografía quedó sin resolver. De hecho, el proceso de fotolitografía necesario para un semiconductor de banda prohibida amplia como el nitruro de galio no necesita ser muy avanzado. Es suficiente una precisión de fotolitografía de 90 nanómetros. Con el apoyo de políticas nacionales relevantes, podemos lograr esta tecnología. La máquina de fotograbado que se ha desarrollado con éxito en la actualidad debería lograr una producción en masa estable lo antes posible, y aún debemos hacer esfuerzos en este sentido. Podemos hacerlo bien, puede llegar a ser la industrialización de las cosas, debemos hacerlo.

Periodista: algunos fabricantes dicen que actualmente en muchos campos de vanguardia, la producción nacional de dispositivos semiconductores no puede cumplir con los requisitos (como la eficiencia del dispositivo), ¿por qué? ¿Cómo solucionar estos problemas?

Hao Yue: La alta conductividad térmica y las bajas pérdidas son ventajas inherentes de los semiconductores de banda ancha. El problema es que no pudimos aprovechar al máximo estas ventajas en el desarrollo de productos. Por ejemplo, con nitruro de galio a una frecuencia de 4 GHz y una potencia de salida de 100 W, la eficiencia del dispositivo puede alcanzar más del 70 %. Para otros materiales, puede llegar al 50% es bueno, la alta eficiencia está determinada por la naturaleza del material. Ya sea nitruro de galio o carburo de silicio, la eficiencia del semiconductor de banda prohibida ancha es muy alta. Sin embargo, en la posterior aplicación de los dispositivos, es muy importante asegurar la baja pérdida de materiales en cada paso.

En los dispositivos de carburo de silicio, por ejemplo, después de completar la producción del empaque, el empaque básico actual falló en el empaque de nuestro dispositivo, de acuerdo con las características del dispositivo y debería hacerlo, aún adopta el modo de dispositivos de encapsulación de silicio de alta potencia. Por lo tanto, la pérdida de semiconductores de banda prohibida ancha aumenta, la alta eficiencia y la baja pérdida son tan encapsuladas que las básicas no tienen ningún efecto. Este es sólo un ejemplo, y creo que se puede hacer mucho más en términos de adopción de tecnología.

Reportero: Si la tecnología de semiconductores de banda prohibida ancha se populariza aún más, ¿podrá cumplir con los requisitos de alto rendimiento, resistencia a altas temperaturas y larga vida útil de los dispositivos electrónicos?

Hao Yue: Creo que se puede solucionar por completo. Porque en los semiconductores de banda ancha, la tecnología y los indicadores de desarrollo de nuestros dispositivos están básicamente sincronizados con los internacionales, e incluso algunos indicadores son líderes. La pregunta es qué tan rápido estas tecnologías pueden pasar de la investigación y el desarrollo a la producción. En la actualidad, muchos fabricantes nacionales no tienen capacidad de I+D, lo básico es adoptar la doctrina. Por ejemplo, nuestro Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Semiconductores de Banda Ancha de la Universidad de Xidian ha desarrollado muchos materiales y tecnologías de dispositivos de alto índice. Al principio, los fabricantes podían construir el dispositivo, pero era difícil innovar sobre esa base. Nuestro país considera que las empresas son el principal organismo de innovación. Si las empresas simplemente utilizan la tecnología pero no innovan, no importa cuán buena sea la tecnología, no pueden transformarse continuamente en fuerzas productivas. En la actualidad, muchas empresas tienen una inversión muy limitada en INVESTIGACIÓN y desarrollo, y la principal inversión en investigación y desarrollo todavía depende del Estado.

En comparación, Intel gasta más de 10 mil millones de dólares al año en investigación y desarrollo de empresas líderes en semiconductores. Las empresas chinas deberían mejorar su capacidad de innovación y también encontrar formas de aumentar la inversión en I+D.

Reportero: Se entiende que las universidades y los institutos de investigación se evalúan principalmente mediante la publicación de artículos. Este sistema de evaluación puede dificultar la cooperación estrecha entre universidades e industrias. ¿Qué papel deberían desempeñar respectivamente las escuelas y las empresas en la alianza universidad-empresa?

Hao Yue: La investigación de las universidades y los institutos nacionales de investigación debe apuntar a la frontera de la ciencia y la tecnología mundiales. No hay duda sobre eso. Una de las tareas de las universidades y los institutos de investigación es explorar cosas habituales y buscar constantemente cosas nuevas. Esto es cierto no sólo en las universidades chinas, sino también en universidades de todo el mundo. Por lo tanto, creo que es correcto conceder importancia a la publicación de artículos, especialmente en congresos y revistas académicas. Los científicos y los científicos deben enfrentar las fronteras de la ciencia y la tecnología, y la misión de los científicos es perseguir objetivos más elevados.

¿Deberían transformarse rápidamente los logros de la investigación científica de los colegios y universidades en verdaderas fuerzas productivas? Creo que ciertamente lo es. Pero, ¿cómo garantizar que los resultados de la investigación de los colegios y universidades puedan transformarse en productividad real? Existe una tendencia entre los profesores a dirigir empresas directamente, lo que creo que también es cuestionable. Es muy difícil que un profesor pueda afrontar al mismo tiempo la frontera tecnológica y el principal campo de batalla económico.

Entonces, ¿cómo solucionar este grupo de contradicciones? En mi opinión, confiar en la combinación de industria, universidad e investigación para mejorar las capacidades de INVESTIGACIÓN y desarrollo de la propia empresa es la clave para resolver el problema. Por lo tanto, debemos hacer esfuerzos concertados para lograr que la empresa sea el principal organismo de innovación.

Reportero: Algunas grandes empresas internacionales, como Clarie e Infineon, básicamente han cubierto toda la cadena industrial con sus tecnologías, desde sustratos, dispositivos hasta aplicaciones. Si las empresas nacionales compiten con esas empresas y quieren generar competitividad en el campo de alta gama, ¿qué deberían hacer?

Hao Yue: La empresa Kerui se especializa en materiales semiconductores de carburo de silicio al comienzo de la empresa y se dedica exclusivamente a la fabricación de materiales. A medida que el material creció, se empezaron a fabricar dispositivos, leds azules verticales de alta potencia y luego electrónica. Infineon ha estado fabricando dispositivos, no materiales. Sólo después de convertirse en líderes mundiales en sus propios campos comenzaron gradualmente a desarrollarse a lo largo de la cadena industrial.

Entonces, para nuestras empresas, mi consejo es hacer lo que podamos hacer bien, hacer lo mejor, hacerlo de manera impecable. Una empresa no debería considerar la cadena industrial desde el principio. Debería elegir un campo, hacerlo al extremo y luego considerar expandirse aguas arriba y aguas abajo. Al principio es imposible conseguir materiales y dispositivos de primera calidad. Entonces, lo primero que debe quedar claro es cuál es el posicionamiento de la empresa.

Reportero: El nitruro de galio y el carburo de silicio han logrado una producción en masa. En el campo de los semiconductores de banda ancha, ¿cuáles son los materiales a los que se enfrenta el futuro?

Hao Yue: Creo que el óxido de galio es el material más probable, que tiene una banda prohibida más amplia que el nitruro de galio y el carburo de silicio, alcanzando 4.6~4.8 electronvoltios. Nuestra investigación actual muestra que dichos materiales son prometedores.

En la próxima década, más o menos, es probable que los dispositivos de óxido de galio se conviertan en dispositivos de electrónica de potencia competitivos que competirán directamente con los dispositivos de carburo de silicio, tal como lo son hoy en día los dispositivos de carburo de silicio y de potencia de silicio.

El óxido de galio no está disponible en la actualidad, dependiendo del progreso de investigaciones posteriores. Además, la banda prohibida del material de diamante es de 5.4 electronvoltios. La base de investigación de este tipo de material y dispositivo es muy buena en China, pero todavía hay muchas dificultades técnicas en este tipo de material y su industrialización es bastante difícil, lo que depende de qué tipo de avance tecnológico se logrará en los próximos 10 años. años. Es justo decir que hemos estado trabajando incansablemente.


Descargo de responsabilidad: este artículo es una reimpresión de "China Electronic News", este artículo solo representa las opiniones personales del autor, no representa las opiniones de Sakwei y la industria, solo para reimprimir y compartir, apoyar la protección de los derechos de propiedad intelectual, indique el Fuente original y autor, si hay una infracción, contáctenos para eliminarla.


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