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推動港芯②/兩地凝芯聚力 研製第三代半導體

時間:2022-10-16 04:24:16來源:大公报

  左圖:香港已逐漸投入研發第三代半導體,期待未來有機會做到產品正式投產前的小規模試驗,再到內地量產。\資料圖片;右圖:在新能源汽車、5G通訊等高新技術應用需求的牽引下,以碳化矽為代表的第三代半導體研發被提上日程。圖為半導體碳化矽晶圓。\網上圖片

  隨着芯片器件尺寸越來越接近物理極限,不少研發機構都期望從三維集成電路入手,提高集成電路的效能,而耐高溫、高壓、低消耗的第三代半導體材料能更好地承載這種電路。

  有微電子業內專家對《大公報》表示,本港已逐漸投入研發第三代半導體,期待未來有機會做到產品正式投產前的小規模試驗,再到內地量產,打開新局面。\大公報記者 鍾怡

  發展芯片需要良好的生態環境,香港中文大學工程學院副院長黃錦輝表示,1999年時,從台積電離職的張汝京就希望在香港發展半導體行業。而過去特區政府雖已意識到創科的重要性,但還是存在一些保守思想,不願加大力度投資,所以中芯企業便在上海發展起來了。「對於香港而言,我們已經錯過了當時的機遇,接下來就要抓緊時間。」

  如果有良好的生態環境,芯片研發可以走多遠?過去,半導體的發展一直以摩爾定律為推測規律,即一塊芯片上可容納的半導體電晶體數目,約每隔18個月便會增加一倍,因此效能也會提高一倍。由於芯片器件尺寸越來越接近物理極限,不少專家都在試圖改善其結構設計,以盡可能地延續摩爾定律。

  配合新能源車及5G應用需求

  應用科技研究院行政總裁葉成輝認為,若要維持摩爾定律的效能,業內可以發展三維集成電路。「就是平面起高樓,當我們把電路堆砌得越高,甚至能把摩爾定律逼得更快。」這便顯示出半導體材料整體性能的重要性,因為要保證整個電路順暢流通。

  20世紀50年代以來,以矽、鍺等元素半導體為主的第一代半導體初露頭角,微電子領域迅速發展。隨着光纖通信、互聯網的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體亦逐漸興起。葉成輝說,這兩代半導體各有千秋,在應用上各具優勢,比如第二代半導體主要用於發光二極管(LED)照明、微波器件等。

  然而,在新能源汽車、5G通訊等高新技術應用需求的牽引下,以碳化矽為代表的第三代半導體研發被提上日程。葉成輝說,第三代半導體的能隙(energy gap)較第一代有三倍的進步空間,可以帶來不少好處。首先,第三代的耐熱程度能達到250度,較第一代的150度高;第三代變流技術的效率高達99%,亦較第一代的90%高。即當進行能源轉化時,第三代只有1%的電力消耗。此外,第三代半導體還可以達到1萬瓦以上的高壓環境。

  葉成輝坦言:「在這幾個特性下,第三代半導體的預期壽命也會是第一代的四倍。」以物聯網為例,由於每一塊微型芯片都需承載大量的信息流通工作,在運行時需要耐熱性強、效率高、耗能低的第三代半導體材料,來保證整個電路順暢流通。隨着國家對香港創科行業的重視,近年業界有不少專家都在研究三維集成電路。

  葉成輝續說,團隊早前研發出碳化矽功率器件,可取代傳統的矽功率器件。憑着碳化矽本身的低開關損耗、低電阻和卓越的高溫穩定性,碳化矽基系統可實現低功耗、高功率密度和提升工作溫度極限,能應用於機械人、太陽能系統等,「我們已經製造出了一些樣板,並有兩家公司都正在使用。」

  福田設研發總部 促進兩地交流

  談及今後的計劃,葉成輝表示,期待可以把芯片做到中試階段,再推向商品化。「中試是產品正式投產前的試驗,大約為量產的10%。它能夠證明芯片設計的效果如何,是確保產品量產成功的關鍵一環。」而在香港完成中試後,再去內地進行量產。

  葉成輝說,內地市場大,應科院將會在深圳福田設立一個微電子研發總部,以促進兩地交流。「內地很多技術都比香港先進,尤其是深圳,我們亦希望能促成人才之間的合作。」

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