Da die IC-Transistordichte sich der physikalischen Grenze nähert, wird es immer schwieriger, die IC-Leistung allein durch eine Verbesserung des Herstellungsprozesses zu verbessern. Um die Post-Moore-Ära der IC-Industrie weiterzuentwickeln, sucht die Welt aktiv nach neuen Technologien, neuen Methoden und neuen Wegen. Um die technologische Innovation weiter zu fördern und die industrielle Entwicklung der integrierten Schaltkreise Chinas in der Post-Moore-Ära zu beschleunigen, haben die China Semiconductor Industry Association und China Electronics News gemeinsam eine Reihe von Berichten mit dem Titel „Akademiker sprechen über die Technologieentwicklung in der Post-Moore-Ära“ herausgebracht Era“, bei dem Akademiker aus verwandten Bereichen befragt werden, um die Entwicklungsrichtung der Halbleiterindustrie in der Post-Moore-Ära zu diskutieren.

Derzeit werden im In- und Ausland Halbleitergeräte und -materialien mit großer Bandlücke (auch bekannt als Halbleiter der dritten Generation) eingesetzt. Warum hat die Wide-Band-Gap-Halbleiterindustrie die Gunst des Marktes gewonnen? Was sind die Besonderheiten, Schwierigkeiten und Schmerzpunkte im Bewerbungsprozess? In welche Richtung sollten sich relevante Industrien in Zukunft entwickeln? Hao Yue teilte seine Ansichten zu den aktuellen Problemen, Entwicklungsschwierigkeiten und der zukünftigen Entwicklungsrichtung der Halbleiterindustrie mit großer Bandlücke.

Reporter: Zunächst möchte ich Sie bitten, eine kurze Einführung in die Breitbandhalbleiter zu geben. Was sind die Eigenschaften dieser Art von Halbleitern und welche Anwendungen gibt es in der Industrie?

Hao Yue: Das offensichtlichste Merkmal von Halbleitern mit großer Bandlücke ist ihre breite Bandlücke, die hinsichtlich der Materialeigenschaften eher dem Isolator ähnelt. Daher werden Galliumnitrid und Siliziumkarbid durch diese Art von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke dargestellt, die eine hohe elektrische Feldstärke beim Durchbruch, eine hohe Betriebstemperatur, einen geringen Leitungswiderstand des Geräts, eine hohe Elektronendichte und andere Vorteile aufweisen. Derzeit werden Halbleiter mit breiter Bandlücke hauptsächlich in drei Bereichen eingesetzt haben eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt.

Das erste sind HF-Geräte, nämlich Mikrowellen-Millimeterwellengeräte. Im Vergleich zu Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid und Silizium weisen die Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke im Mikrowellen-Millimeterband eine deutlich höhere Arbeitseffizienz und Ausgangsleistung auf und eignen sich für HF-Leistungsgeräte. HF-Geräte für den zivilen Einsatz werden hauptsächlich in der mobilen Kommunikation eingesetzt, einschließlich der zukünftigen 4G-, 5G- und 6G-Kommunikation. Beispielsweise verwenden die neu installierten 4G- und 5G-Mobilfunkbasisstationen in China fast alle Galliumnitrid-Geräte. Insbesondere verwendet die 5G-Basisstation das MIMO-Transceiversystem. Jede Basisstation sendet und empfängt 64 Kanäle und ihr Stromverbrauch ist mehr als dreimal so hoch wie der der 4G-Basisstation. Darüber hinaus ist die Dichte der Basisstation höher als die der 4G-Basisstation, sodass es nahezu unmöglich ist, hocheffiziente Galliumnitrid-Geräte zu verwenden. In Zukunft wird die 6G-Kommunikationsfrequenz höher sein und die Anzahl der Basisstationen wird stärker in den Vordergrund treten.

Das zweite sind leistungsstarke elektronische Geräte. Leistungselektronische Geräte mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad werden für Schnellladegeräte, Energieübertragungs- und -umwandlungssysteme, den Schienenverkehr, Elektrofahrzeuge und Ladesäulen benötigt. Zweifellos hat Galliumnitrid, ein Halbleiter mit breiter Bandlücke, insbesondere Siliziumkarbid, offensichtlichere Vorteile als andere Halbleitermaterialien.

Das dritte sind fotoelektrische Geräte. Der Halbleiter mit großer Bandlücke hat offensichtliche Vorteile, insbesondere bei optoelektronischen Geräten mit kurzer Wellenlänge. Blaues Licht beispielsweise verwendet mittlerweile Galliumnitrid für alle Halbleiterbeleuchtungen. Bei violettem Licht, ultraviolettem Licht und sogar bei gelbem Licht kann grünes Licht direkt als Nitridhalbleitermaterialien verwendet werden.

Natürlich gibt es auch andere Anwendungsbereiche wie Detektoren, Sensoren usw., die Anwendung ist sehr breit gefächert.

Hinweis: Den Daten zufolge zeigt die Marktgröße von Halbleiterbauelementen mit breiter Bandlücke seit 2017 einen deutlichen Aufwärtstrend. Haben Breitbandhalbleiter Ihrer Meinung nach das Potenzial, in der postmaurischen Ära eine disruptive Technologie zu sein? und inwieweit werden sie Silizium ersetzen?

Hao Yue: In der Post-Moore-Ära stehen Silizium-IC-Chips vor großen Herausforderungen in Bezug auf Integration und Stromverbrauch, was Moores Gesetz der Chip-Integration alle 18 Monate verlangsamt. Daher wird nach neuen Lösungen gesucht, einschließlich neuer Lösungen für integrierte 3D-Siliziumschaltkreise und Systemchips. Systemchips werden auch als „More than Moore's Law“ bezeichnet, das sich auf die kontinuierliche Erweiterung integrierter Siliziumschaltkreise zur Integration mit anderen Materialien oder Anwendungsfeldern bezieht, um neue Anwendungsmärkte zu erschließen.

Ich denke, dass integrierte Siliziumschaltkreise hochgradig mit anderen Halbleitertypen wie Verbindungshalbleitern und Siliziumbauelementen integriert sind und Verbindungen auf Siliziumsubstraten aufbauen, was ein sehr interessantes und vielversprechendes Gebiet in der Post-Molar-Ära ist. Es ist auch eine wichtige Richtung für die zukünftige Entwicklung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen mit großer Bandlücke.

Es ist jedoch unmöglich, dass Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke Silizium ersetzen. Mehr als 90 % der integrierten Schaltkreise verwenden immer noch Halbleiter auf Siliziumbasis sowie Solarzellen, die hauptsächlich aus Silizium bestehen. Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke und integrierte Schaltkreise nehmen nur einen kleinen Anteil am globalen Halbleitermarkt ein und werden hauptsächlich in Hochleistungs-HF-Geräten, Leistungselektronikgeräten und optoelektronischen Geräten mit kurzer Wellenlänge verwendet. Silizium ist nach wie vor das dominierende Halbleitermaterial. Da es bei Siliziummaterialien schwierig ist, Licht zu emittieren und die Ausgangsleistung bei hohen Frequenzen zu verbessern, verfügen Breitbandhalbleiter über unabhängigen Entwicklungsraum und einen riesigen Anwendungsmarkt.

Reporter: Welche Schwierigkeiten bestehen noch bei der Förderung von Chinas Halbleitermaterialien und -geräten mit großer Bandlücke in der Industrie, was sind die Gründe für diese Schwierigkeiten und wie können sie gelöst werden?

Hao Yue: Derzeit steht Chinas Halbleiterindustrie vor einem „Engpass“-Problem, vor allem bei wichtigen Ausrüstungen und Materialien. Im Hinblick auf Halbleitergeräte mit großer Bandlücke haben wir jedoch derzeit in den meisten Bereichen eine Lokalisierung erreicht, vom Materialwachstum über Geräte- und Schaltungsprozesse bis hin zu Testverpackungsgeräten. Der heimische Bedarf kann grundsätzlich gedeckt werden. Nur die Lithographie blieb ungelöst. Tatsächlich muss der Photolithographieprozess, der für einen Halbleiter mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid erforderlich ist, nicht sehr fortgeschritten sein. Eine fotolithografische Genauigkeit von 90 Nanometern ist ausreichend. Mit der Unterstützung relevanter nationaler Richtlinien können wir diese Technologie verwirklichen. Die derzeit erfolgreich entwickelte Fotogravurmaschine sollte so schnell wie möglich eine stabile Massenproduktion erreichen, und wir müssen diesbezüglich noch Anstrengungen unternehmen. Wir können es gut machen, wir können die Industrialisierung der Dinge vorantreiben, wir müssen es tun.

Reporter: Einige Hersteller sagen, dass die inländische Halbleiterbauelementproduktion derzeit in vielen Spitzenbereichen die Anforderungen (z. B. Geräteeffizienz) nicht erfüllen kann. Warum? Wie können diese Probleme gelöst werden?

Hao Yue: Hohe Wärmeleitfähigkeit und geringer Verlust sind inhärente Vorteile von Breitbandhalbleitern. Das Problem ist, dass wir diese Vorteile bei der Produktentwicklung nicht voll ausgeschöpft haben. Beispielsweise kann Galliumnitrid bei einer 4-GHz-Frequenz und einer Ausgangsleistung von 100 W einen Gerätewirkungsgrad von mehr als 70 % erreichen. Bei anderen Materialien ist es gut, 50 % zu erreichen, ein hoher Wirkungsgrad wird durch die Beschaffenheit des Materials bestimmt. Ob Galliumnitrid oder Siliziumkarbid, der Wirkungsgrad von Halbleitern mit großer Bandlücke ist sehr hoch. Bei der späteren Anwendung der Geräte ist es jedoch sehr wichtig, in jedem Schritt auf einen geringen Materialverlust zu achten.

Bei Siliziumkarbid-Geräten beispielsweise ist nach Abschluss der Verpackungsproduktion die aktuelle Grundausstattung unserer Geräteverpackung fehlgeschlagen, entsprechend den Geräteeigenschaften und sollte weiterhin den Modus von Hochleistungsgeräten mit Siliziumverkapselung übernehmen müssen. Dadurch erhöht sich der Verlust von Halbleitern mit großer Bandlücke, hoher Effizienz und geringem Verlust, so dass die Einkapselung grundsätzlich keine Auswirkungen hat. Dies ist nur ein Beispiel, und ich denke, dass im Hinblick auf die Einführung der Technologie noch viel mehr getan werden kann.

Reporter: Wenn die Wide-Band-Gap-Halbleitertechnologie weiter populär wird, kann sie dann die hohen Anforderungen an hohe Leistung, hohe Temperaturbeständigkeit und lange Lebensdauer elektronischer Geräte erfüllen?

Hao Yue: Ich denke, es kann vollständig gelöst werden. Denn im Halbleiterbereich mit großer Bandlücke sind unsere Geräteentwicklungstechnologien und -indikatoren grundsätzlich mit dem internationalen synchronisiert, und sogar einige Indikatoren sind führend. Die Frage ist, wie schnell diese Technologien von der Forschung und Entwicklung in die Produktion übergehen können. Derzeit verfügen viele inländische Hersteller selbst nicht über F&E-Fähigkeiten, sondern die Grundlehre. Beispielsweise hat unser Wide Band Gap Semiconductor National Engineering Research Center an der Universität Xidian viele hochbrechende Materialien und Gerätetechnologien entwickelt. Zunächst konnten die Hersteller das Gerät bauen, es war jedoch schwierig, auf dieser Grundlage Innovationen zu entwickeln. Unser Land ist davon überzeugt, dass Unternehmen der wichtigste Innovationsträger sind. Wenn Unternehmen nur Technologie nutzen, aber keine Innovationen einführen, kann die Technologie, egal wie gut sie ist, nicht kontinuierlich in Produktivkräfte umgewandelt werden. Derzeit investieren viele Unternehmen nur sehr begrenzt in Forschung und Entwicklung, und die Hauptinvestitionen in Forschung und Entwicklung hängen immer noch vom Staat ab.

Im Vergleich dazu gibt Intel jährlich mehr als 10 Milliarden US-Dollar für Forschung und Entwicklung führender Halbleiterunternehmen aus. Chinesische Unternehmen sollten ihre Innovationsfähigkeit verbessern und auch Wege finden, die Investitionen in Forschung und Entwicklung zu erhöhen.

Reporter: Es versteht sich, dass Universitäten und Forschungsinstitute hauptsächlich durch die Veröffentlichung von Arbeiten bewertet werden. Dieses Bewertungssystem kann es für Universitäten und Industrie schwierig machen, eng zusammenzuarbeiten. Welche Rolle sollten Schulen und Unternehmen jeweils in der Allianz zwischen Universitäten und Unternehmen spielen?

Hao Yue: Die Forschung von Universitäten und nationalen Forschungsinstituten muss auf die Grenzen der Weltwissenschaft und -technologie ausgerichtet sein. Daran besteht kein Zweifel. Zu den Aufgaben von Universitäten und Forschungsinstituten gehört es, Bewährtes zu erforschen und ständig Neues zu verfolgen. Dies gilt nicht nur für chinesische Universitäten, sondern für Universitäten auf der ganzen Welt. Daher halte ich es für richtig, der Veröffentlichung von Artikeln, insbesondere auf wissenschaftlichen Konferenzen und wissenschaftlichen Zeitschriften, einen hohen Stellenwert beizumessen. Wissenschaftler und Wissenschaftler sollten sich den Grenzen von Wissenschaft und Technologie stellen, und die Mission der Wissenschaftler besteht darin, höhere Ziele zu verfolgen.

Sollen die wissenschaftlichen Forschungsleistungen der Hochschulen und Universitäten schnell in echte Produktivkräfte umgewandelt werden? Ich denke, das ist es auf jeden Fall. Doch wie kann sichergestellt werden, dass die Forschungsergebnisse von Hochschulen und Universitäten in echte Produktivität umgesetzt werden können? Es besteht die Tendenz, dass Professoren Unternehmen direkt leiten, was ich ebenfalls für fragwürdig halte. Für einen Professor ist es sehr schwierig, sich sowohl der technologischen Grenze als auch dem wichtigsten wirtschaftlichen Schlachtfeld zu stellen.

Wie lässt sich diese Gruppe von Widersprüchen lösen? Meiner Meinung nach liegt der Schlüssel zur Lösung des Problems darin, sich auf die Kombination von Industrie, Universität und Forschung zu verlassen, um die eigenen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten des Unternehmens zu verbessern. Daher sollten wir konzertierte Anstrengungen unternehmen, um das Unternehmen als Hauptorgan der Innovation zu verwirklichen.

Reporter: Einige große internationale Unternehmen wie Clarie und Infineon decken mit ihren Technologien grundsätzlich die gesamte Industriekette ab, von Substraten über Geräte bis hin zu Anwendungen. Wenn inländische Unternehmen mit solchen Unternehmen konkurrieren und im High-End-Bereich wettbewerbsfähig werden wollen, wie sollten sie das tun?

Hao Yue: Das Unternehmen Kerui war zu Beginn des Unternehmens auf Siliziumkarbid-Halbleitermaterialien spezialisiert und stellte ausschließlich Materialien her. Als das Material wuchs, begann man mit der Herstellung von Geräten, vertikalen blauen Hochleistungs-LEDs und dann von Elektronik. Infineon hat Geräte entwickelt, keine Materialien. Erst nachdem sie in ihren jeweiligen Bereichen Weltmarktführer geworden waren, begannen sie sich nach und nach entlang der Industriekette weiterzuentwickeln.

Deshalb rate ich unseren Unternehmen, das zu tun, was wir gut können, das Beste zu tun und tadellos zu arbeiten. Ein Unternehmen sollte die Industriekette nicht gleich zu Beginn berücksichtigen. Es sollte sich für ein Feld entscheiden, es bis zum Äußersten tun und dann darüber nachdenken, stromaufwärts und stromabwärts zu expandieren. Es ist unmöglich, am Anfang erstklassige Materialien und Geräte zu erhalten. Wie also die Positionierung des Unternehmens aussieht, sollte zunächst klar sein.

Reporter: Galliumnitrid und Siliziumkarbid haben die Massenproduktion erreicht. Welche Materialien stehen im Bereich der Halbleiter mit großer Bandlücke der Zukunft bevor?

Hao Yue: Ich denke, Galliumoxid ist das wahrscheinlichste Material, das eine größere Bandlücke als Galliumnitrid und Siliziumkarbid aufweist und 4.6 bis 4.8 Elektronenvolt erreicht. Unsere aktuelle Forschung zeigt, dass solche Materialien vielversprechend sind.

Im nächsten Jahrzehnt oder so werden sich Galliumoxid-Geräte wahrscheinlich zu wettbewerbsfähigen Geräten der Leistungselektronik entwickeln, die direkt mit Siliziumkarbid-Geräten konkurrieren werden, so wie es heute auch Siliziumkarbid- und Silizium-Leistungsgeräte sind.

Galliumoxid ist derzeit nicht verfügbar, abhängig vom Fortschritt der weiteren Forschung. Darüber hinaus beträgt die Bandlücke von Diamantmaterial 5.4 Elektronenvolt. Die Forschungsgrundlage für diese Art von Materialien und Geräten ist in China sehr gut, aber es gibt immer noch viele technische Schwierigkeiten bei dieser Art von Materialien und ihre Industrialisierung ist ziemlich schwierig, was davon abhängt, welche Art von technologischem Durchbruch in den nächsten 10 Jahren erzielt wird Jahre. Man kann mit Recht sagen, dass wir unermüdlich gearbeitet haben.

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