С взрывным развитием новых технологий, таких как новая энергия, 5G и искусственный интеллект, мировой спрос на чипы на основе высококачественных полупроводниковых материалов увеличился. В последние годы США пытались удержать Китай в области полупроводниковых чипов, что привело к беспрецедентному росту внимания китайского народа к полупроводниковой промышленности. Недавно Huawei и Харбинский технологический институт совместно подали заявку на патент на гибридный метод связывания для трехмерных интегрированных чипов на основе кремния и алмаза, который привлек широкое внимание в технологическом сообществе. На самом деле, в области полупроводниковых материалов следующего поколения страны также прилагают усилия.

В чем преимущества алмазных полупроводников

Согласно патентным материалам, патент на изобретение, совместно примененный Huawei и Харбинским технологическим институтом, достиг трехмерной гетерогенной интеграции кремния/алмаза на основе гибридной связи Cu/SiO2. Внешний анализ показывает, что продвижение этой технологии заключается в успешном сочетании кремния и алмаза, двух материалов с очень разными свойствами, открывающих новые идеи в области производства чипов. С непрерывным развитием новых технологий требования к производительности микросхем становятся все выше и выше. В то время как традиционные чипы на основе кремния в некоторой степени удовлетворяют эти потребности, они все еще имеют определенные ограничения в определенных конкретных областях, таких как высокомощные и высокотемпературные среды. Алмаз, как материал с отличными термическими, электрическими и механическими свойствами, считается одним из идеальных вариантов для следующего поколения микросхем.

Полупроводниковые приборы изготовленные в тонких пленках диаманта

Япония также возлагает большие надежды на алмазные полупроводники. Согласно веб-сайту Nihon Keizai Shimbun, японский стартап OOKUMA планирует ввести в практическое использование алмазный полупроводник, известный как «конечный полупроводник», который будет запущен в производство уже в 2026 году. Согласно отчетам, исследование Университета Сага в Японии показало, что алмазные полупроводники могут работать при температурах в 5 раз выше и напряжениях в 33 раза выше по сравнению с обычными полупроводниками на основе кремния. Производительность также превосходит обычные полупроводники третьего поколения, такие как карбид кремния и нитрид галлия. Эта особенность позволяет ожидать, что он будет использоваться в таких областях, как чистые электромобили, высокоскоростная связь и спутниковая связь в условиях высокого напряжения.

Сообщается, что алмазные полупроводниковые приборы, произведенные компанией OOKUMA, впервые будут использованы для обработки ядерных отходов на АЭС «Фукусима-Дайичи». Только роботы, которые могут выдерживать чрезвычайно высокую интенсивность излучения, способны проверять и очищать расплавленное топливо, оставшееся после расплавления ядра на атомной электростанции Фукусима-Дайичи. Но обычные полупроводниковые устройства имеют очень короткий срок службы в экстремальных условиях, в то время как OOKUMA обнаружила, что алмазные полупроводниковые устройства все еще могут нормально функционировать в агрессивных средах с высокими температурами 450 градусов Цельсия и чрезвычайно высокой интенсивностью излучения. Кроме того, для защиты полупроводниковых приборов от сильного излучения и высокотемпературных сред изначально необходимо было задействовать ядро робота тяжелым свинцом и оснастить его специализированными охлаждающими устройствами. Однако с помощью алмазных полупроводников эти устройства могут быть устранены, тем самым уменьшая вес робота и повышая эффективность работы. OOKUMA планирует массовое производство алмазных полупроводников, обрабатывающих отходы атомных электростанций. Чтобы стремиться к применению в спутниковой связи, компания начала совместные исследования с Mitsubishi Electric и другими. В течение года мы также будем содействовать разработке компонентов для чистых электромобилей совместно с японскими производителями.

Быстрое развитие полупроводниковых материалов третьего поколения

Алмазные полупроводники являются одним из полупроводниковых материалов третьего поколения, которые в настоящее время получают много внимания. Ли Ингруй, научный сотрудник Шэньчжэньского научно-исследовательского института Северо-Западного политехнического университета, рассказал журналистам Global Times, что полупроводники представляют собой серию материалов со свойствами проводимости между проводниками и изоляторами при комнатной температуре. Общие полупроводниковые материалы включают кремний, германий, арсенит галлия и так далее. Проводимость полупроводников является управляемой и может регулироваться путем добавления примесей (легирования) или путем изменения температуры. Используя характеристики полупроводниковых материалов, можно производить полупроводниковые устройства-транзисторы-которые управляют напряжением или током другого порта через напряжение или ток порта. Соединение транзисторов с компонентами резисторов, конденсаторов и других пассивных устройств образует интегральную схему. Суть чипов заключается в создании интегральных схем на полупроводниковых подложках (также известных как пластины), которые могут достигать ряда специфических функций.

Сообщается, что первое поколение полупроводниковых материалов относится к полупроводниковым материалам элементов, представленных кремнием и германием, которые широко используются. В настоящее время более 90% полупроводниковой продукции изготавливается из материалов на основе кремния; полупроводниковые материалы второго поколения-это композиционные материалы, представленные арсенитом галлия и фосфидом индия. Ли Ингруй считает что с точки зрения материалов, будущее направление развития неизбежно будет широкими полупроводниками запрещенной полосы. Ширина запрещенной полосы является важным характеристическим параметром полупроводников, и ее размер в основном определяется структурой полупроводниковой полосы, которая связана с кристаллической структурой и свойствами атомной связи. Ширина запрещенной полосы определяет проводимость полупроводников при различных температурах и электрических полях. Широкополосные полупроводники могут работать при более высоких температурах, напряжениях и частотах, тем самым уменьшая потери и повышая эффективность. Это преимущество особенно важно для новых энергетических транспортных средств, связи 5G, аэрокосмических и военных систем, а также может применяться в более сложных средах. Широкополосные полупроводники обычно называют полупроводниками третьего поколения, в основном включая карбид кремния, нитрид галлия, оксид цинка, алмаз, нитрид алюминия и т. Д. Они обладают преимуществами большой ширины запрещенной полосы (> 2,2 эВ), высокое электрическое поле пробоя, высокая теплопроводность, сильная радиационная стойкость, Высокая светоотдача и высокая частота. Они могут использоваться для высокотемпературных, высокочастотных, радиационных и мощных устройств, а также представляют собой новый тип полупроводниковых устройств, активно разрабатываемых различными странами.

Пластина из нитрида галлия

Например, полупроводниковые устройства из карбида кремния, которые начали широко использоваться, обладают хорошей термостойкостью, устойчивостью к напряжениям и чрезвычайно низкими потерями энергии проводимости по сравнению с полупроводниковыми материалами первого и второго поколений, что делает их идеальными материалами для изготовления высоковольтных силовых устройств и высокомощных радиочастотных устройств. И другой широко используемый материал нитрида галлия может значительно улучшить характеристики и конструкцию полупроводников. Сравненный к другим материалам, он может выдержать более высокие увеличения на более высоких частотах с большей эффективностью. Нитрид галлия обладает отличными тепловыми характеристиками и более высоким напряжением пробоя, что позволяет разрабатывать и производить полупроводниковые материалы меньшего размера и тоньше, не влияя на энергопотребление, надежность или безопасность. В век Интернета вещей 5G, где все взаимосвязано, это неоспоримое преимущество.

Новые материалы привлекают все больше и больше внимания

В дополнение к полупроводниковым материалам третьего поколения, есть также более новые материалы, которые получают все большее внимание. Нобелевская премия по химии 2023 года была присуждена трем ученым за открытие и синтез квантовых точек. Так называемые квантовые точки представляют собой тип малых или нанокристаллических частиц, которые представляют собой полупроводниковые материалы диаметром от 2 до 10 нанометров. Они представляют собой полупроводниковые наноструктуры, которые связаны электронами в зоне проводимости, отверстиями в валентной зоне и экситонами в трех пространственных измерениях. В дополнение к своим приложениям в области отображения и освещения, Нобелевский комитет по химии заявил, что квантовые точки могут внести вклад в такие области, как квантовые вычисления, гибкие электронные продукты, микродатчики и более тонкие солнечные элементы в будущем.

Кроме того, применение двумерных материалов, таких как графен, в области полупроводников также широко изучено. Графен-это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, который обладает отличной электронной мобильностью и теплопроводностью. Уникальные свойства этого материала открывают новые возможности для будущих электронных устройств, таких как сверхбыстрые передающие устройства и высокоинтегрированные датчики.

Следующее поколение чипов требует инновационных разработок в области полупроводниковых материалов.

Помимо материалов, технологические достижения в других областях также, как ожидается, будут способствовать дальнейшему прогрессу полупроводниковой технологии. Исследовательская группа Ли Ингруй недавно запустила новое поколение системы воображения отсчета фотона полупроводника младенческой, ломая технологический замок зарубежных стран. Это в основном зависит от достижений команды в трех ключевых технологиях, влияющих на приложения подсчета фотонов, включая кристаллические материалы, специальные чипы чтения ASIC и алгоритмы многоспектральной визуализации, которые достигли международного передового уровня в области кристаллических решений.

Столкнувшись с такими проблемами, как замедление темпов роста закона Мура, команда академика Дай Цюнхай из Департамента автоматизации Университета Цинхуа недавно предложила новую вычислительную архитектуру, чтобы освободиться от закона Мура: аналоговые оптоэлектронные чипы. В визуальных задачах его вычислительная мощность достигла более чем в 3000 раз большей, чем у современных высокопроизводительных коммерческих чипов. Исследовательская группа представила в интервью журналистам Global Times, что новая вычислительная структура начинается с самых фундаментальных физических принципов, сочетает в себе оптические вычисления, основанные на пространственном распространении электромагнитных волн, с чистыми аналоговыми электронными вычислениями, основанными на законе Кирхгофа, «вырывается» Из физического узкого места скорости преобразования данных, Точность и энергопотребление в традиционных микросхемных архитектурах, и он решает три проблемы интеграции крупномасштабных вычислительных блоков, эффективной нелинейности и высокоскоростного однокристального оптоэлектронного интерфейса.