Com o desenvolvimento explosivo de novas tecnologias, como nova energia, 5G e inteligência artificial, a demanda global por chips baseados em materiais semicondutores de alta qualidade aumentou. Nos últimos anos, os Estados Unidos tentaram reter a China no campo de chips de semicondutores, o que levou a um aumento sem precedentes na atenção do povo chinês à indústria de semicondutores. Recentemente, a Huawei e o Harbin Institute of Technology solicitaram conjuntamente uma patente para um método de ligação híbrida para chips integrados tridimensionais baseados em silício e diamante, o que atraiu atenção generalizada na comunidade tecnológica. Na verdade, no campo de materiais semicondutores de próxima geração, os países também estão fazendo esforços.

Quais são as vantagens dos semicondutores de diamante

De acordo com materiais de patente, a patente de invenção aplicada conjuntamente pela Huawei e Harbin Institute of Technology alcançou integração heterogênea tridimensional de silício / diamante com base na ligação híbrida Cu / SiO2. A análise externa sugere que o avanço desta tecnologia reside na combinação bem sucedida de silício e diamante, dois materiais com propriedades muito diferentes, abrindo novas ideias no campo da fabricação de cavacos. Com o desenvolvimento contínuo de tecnologias emergentes, os requisitos para o desempenho de chips estão se tornando cada vez maiores. Embora chips tradicionais à base de silício atendam a essas necessidades em certa medida, eles ainda têm certas limitações em certos campos específicos, como ambientes de alta potência e alta temperatura. O diamante, como um material com excelentes propriedades térmicas, elétricas e mecânicas, é considerado uma das escolhas ideais para a próxima geração de cavacos.

Dispositivos semicondutores fabricados em filmes finos diamantados

O Japão também tem grandes esperanças para semicondutores de diamante. De acordo com o site de Nihon Keizai Shimbun, a start-up japonesa OOKUMA planeja colocar o semicondutor de diamante, conhecido como o "semicondutor final", em uso prático, que será colocado em produção já em 2026. De acordo com relatos, pesquisas da Saga University no Japão mostraram que os semicondutores diamantados podem operar em temperaturas 5 vezes mais altas e tensões 33 vezes mais altas em comparação com os semicondutores baseados em silício convencionais. O desempenho também é superior aos semicondutores comuns de terceira geração, tais como carboneto de silício e nitreto de gálio. Esta característica faz com que seja esperado para ser usado em campos como veículos elétricos puros, comunicação de alta velocidade e comunicação por satélite em ambientes de alta tensão.

É relatado que os dispositivos semicondutores diamantados produzidos pela empresa OOKUMA serão usados pela primeira vez para o tratamento de resíduos nucleares na Usina Nuclear de Fukushima Daiichi. Apenas robôs que podem suportar uma intensidade de radiação extremamente alta são capazes de inspecionar e limpar o combustível derretido deixado para trás após a fusão do núcleo na Usina Nuclear de Fukushima Daiichi. Mas os dispositivos semicondutores comuns têm uma vida útil muito curta em ambientes extremos, enquanto a OOKUMA descobriu que os dispositivos semicondutores diamantados ainda podem funcionar normalmente em ambientes agressivos com altas temperaturas de 450 graus Celsius e intensidade de radiação extremamente alta. Além disso, para proteger os dispositivos semicondutores de ambientes de radiação forte e alta temperatura, foi originalmente necessário envolver o núcleo do robô com chumbo pesado e equipá-lo com dispositivos de resfriamento especializados. No entanto, com semicondutores diamantados, esses dispositivos podem ser eliminados, reduzindo assim o peso do robô e melhorando a eficiência do trabalho. A OOKUMA planeja produzir em massa semicondutores diamantados tratando resíduos de usinas nucleares. A fim de se esforçar para aplicação na comunicação por satélite, a empresa iniciou pesquisas conjuntas com a Mitsubishi Electric e outros. Também promoveremos o desenvolvimento de componentes para veículos elétricos puros com fabricantes japoneses dentro do ano.

O rápido desenvolvimento de materiais semicondutores de terceira geração

Semicondutores de diamante são um dos materiais semicondutores de terceira geração que estão atualmente recebendo muita atenção. Li Yingrui, um bolsista de pós-doutorado no Instituto de Pesquisa de Shenzhen da Universidade Politécnica do Noroeste, disse aos repórteres do Global Times que os semicondutores são uma série de materiais com propriedades de condutividade entre condutores e isoladores à temperatura ambiente.Materiais semicondutores comuns incluem silício, germânio, arsenito de gálio e assim por diante. A condutividade dos semicondutores é controlável e pode ser ajustada adicionando impurezas (dopagem) ou alterando a temperatura. Utilizando as características dos materiais semicondutores, é possível produzir dispositivos semicondutores - transistores - que controlam a tensão ou corrente de outra porta através da tensão ou corrente de uma porta. Conectar transistores com componentes de resistores, capacitores e outros dispositivos passivos forma um circuito integrado. A essência dos chips é criar circuitos integrados em substratos semicondutores (também conhecidos como wafers) que podem alcançar uma série de funções específicas.

Relata-se que a primeira geração de materiais semicondutores refere-se a materiais semicondutores de elementos representados pelo silício e germânio, que são amplamente utilizados.Atualmente, mais de 90% dos produtos semicondutores são feitos de materiais à base de silício; Os materiais semicondutores de segunda geração são materiais compostos representados pelo arsenito de gálio e fosfeto de índio. Li Yingrui acredita que, da perspectiva dos materiais, a direção futura do desenvolvimento inevitavelmente serão semicondutores largos do bandgap. A largura do bandgap é um parâmetro característico importante dos semicondutores, e seu tamanho é determinado principalmente pela estrutura de banda do semicondutor, que está relacionada à estrutura cristalina e propriedades atômicas de ligação. A largura do bandgap determina a condutividade dos semicondutores em diferentes temperaturas e campos elétricos. Os semicondutores de bandgap largo podem operar em temperaturas, tensões e frequências mais altas, reduzindo assim perdas e melhorando a eficiência. Esta vantagem é particularmente importante para veículos novos de energia, comunicação 5G, aeroespacial e sistemas militares, e também pode ser aplicada a ambientes mais complexos. Semicondutores largos de bandgap são geralmente referidos como semicondutores de terceira geração, incluindo principalmente carboneto de silício, nitreto de gálio, óxido de zinco, diamante, nitreto de alumínio, etc Eles têm as vantagens de grande largura de bandgap (> 2,2 ev), campo elétrico de alta quebra, alta condutividade térmica, forte resistência à radiação, alta eficiência luminosa e alta frequência. Eles podem ser usados para alta temperatura, alta frequência, resistência à radiação e dispositivos de alta potência, e também são um novo tipo de dispositivo semicondutor vigorosamente desenvolvido por vários países.

Bolacha de nitreto de gálio

Por exemplo, os dispositivos semicondutores de carboneto de silício, que começaram a ser amplamente utilizados, têm boa resistência ao calor, resistência à tensão e perda de energia de condução extremamente baixa em comparação com os materiais semicondutores de primeira e segunda geração, tornando-os materiais ideais para a fabricação de dispositivos de energia de alta tensão e dispositivos RF de alta potência. E outro material amplamente utilizado do nitreto do gálio pode melhorar significativamente o desempenho e o projeto dos semicondutores. Comparado a outros materiais, pode suportar ganhos mais altos em frequências mais altas com maior eficiência. O nitreto de gálio tem excelente desempenho térmico e maior tensão de ruptura, tornando possível projetar e fabricar materiais semicondutores que são menores e mais finos sem afetar o consumo de energia, confiabilidade ou segurança. Na era da Internet das Coisas 5G, onde tudo está interligado, esta é uma vantagem inegável.

Materiais emergentes estão ganhando cada vez mais atenção

Além dos materiais semicondutores de terceira geração, há também materiais mais emergentes que estão recebendo atenção crescente. O Prêmio Nobel de Química de 2023 foi concedido a três cientistas pela descoberta e síntese de pontos quânticos. Os chamados pontos quânticos são um tipo de partículas pequenas ou nanocristais, que são materiais semicondutores com um diâmetro entre 2-10 nanômetros. Eles são nanoestruturas semicondutores que são ligados por elétrons de banda de condução, furos de banda de valência e excitões em três dimensões espaciais. Além de suas aplicações nos campos de exibição e iluminação, o Comitê Nobel de Química afirmou que os pontos quânticos têm o potencial de fazer contribuições em campos como computação quântica, produtos eletrônicos flexíveis, micro sensores e células solares mais finas no futuro.

Além disso, a aplicação de materiais bidimensionais como o grafeno no campo de semicondutores também tem sido amplamente estudada. O grafeno é um material bidimensional composto por uma única camada de átomos de carbono, que tem excelente mobilidade eletrônica e condutividade térmica. As propriedades únicas deste material fornecem novas possibilidades para futuros dispositivos eletrônicos, como dispositivos de transmissão ultra-rápida e sensores altamente integrados.

A próxima geração de chips requer desenvolvimento inovador em materiais semicondutores.

Além dos materiais, os avanços tecnológicos em outras áreas também devem promover ainda mais o progresso da tecnologia de semicondutores. A equipe de pesquisa de Li Yingrui lançou recentemente uma nova geração de sistema de imagem lactente de contagem de fótons semicondutores, quebrando o bloqueio tecnológico de países estrangeiros. Isso depende principalmente dos avanços da equipe nas três principais tecnologias que afetam aplicações de contagem de fótons, incluindo materiais de cristal, chips de leitura específicos ASIC e algoritmos de imagem multi espectral, que atingiram o nível avançado internacional no campo de soluções de cristal.

Diante de desafios como a desaceleração na taxa de crescimento da Lei de Moore, a equipe do acadêmico Dai Qionghai do Departamento de Automação da Universidade de Tsinghua recentemente propôs uma nova arquitetura de computação para se libertar da Lei de Moore: chips analógicos optoeletrônicos. Em tarefas visuais, seu poder de computação atingiu mais de 3000 vezes o dos atuais chips comerciais de alto desempenho. A equipe de pesquisa introduziu em uma entrevista com repórteres do Global Times que a nova estrutura de computação começa a partir dos princípios físicos mais fundamentais, combina computação óptica baseada na propagação espacial de ondas eletromagnéticas com computação eletrônica analógica pura baseada na lei de Kirchhoff, "se liberta" do gargalo físico da velocidade de conversão de dados, precisão e consumo de energia em arquiteturas tradicionais de chips, e rompe os três desafios da integração de unidades de computação em grande escala, não linearidade eficiente e interface optoeletrônica de alta velocidade em um único chip.