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Icbank半导体行业观察

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一文了解半导体的历史、应用、未来

2018-10-15
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来源:内容来自「中科院半导体所」,谢谢。


半导体发展历史


1
半导体是信息化的基础

上个世纪半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各种半导体器件的发明,对现代信息技术革命起了至关重要的作用,引发了一场新的全球性产业革命。


信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势,信息化水平已成为衡量一个国家和地区现代化的重要标志。  


进入21世纪,全世界都在加快信息化建设步伐。


源于信息技术革命的需要,半导体物理、材料、器件将有新的更快的发展。


集成电路的尺寸将越来越小,将出现新的量子效应器件;宽禁带半导体代表了一个新的方向,将在短波长激光器、白光发光管、高频大功率器件等方面有广阔的应用;纳米电子器件有可能作为下一代的半导体微电子和光电子器件;利用单电子、单光子和自旋器件作为量子调控,将在量子计算和量子通信的实用化中起关键作用。


2
晶体管的发明

1945年二次大战结束时,美国贝尔实验室总裁巴克莱为了适应该室从战时转向和平时期的工作需要,决定成立固体物理组,由肖克莱负责半导体物理小组,成员有巴丁、布拉顿、吉布尼、穆尔等人。


肖克莱和巴丁是理论物理学家,布拉顿是实验物理学家,吉布尼是物理化学家,穆尔是电路学家,这种专业人才的搭配对于半导体物理研究和晶体管的发明是个黄金搭配,精干而高效。他们根据各自在30年代中期以后的经验和后来的考虑,从刚开始成立时,就把重点放在半导体材料硅和锗的研究上。


第二次世界大战期间,英国用雷达侦察到了德国的轰炸机。雷达的核心就是真空电子管,它能够将微弱电流放大。肖克莱早在1939年就准备制作能够将电流放大的固体器件,以便取代真空电子管。1947年12月,巴丁和布拉顿制成了世界上第一个锗点接触型三极管,具有电流放大作用。


巴丁和布拉顿的结果在1948年6月发表。点接触晶体管的发明虽然揭开了晶体管大发展的序幕,但由于它的结构复杂,性能差,体积大和难以制造等缺点,没有得到工业界的推广和应用,在社会上引起的反响不够强烈。


1948年1月肖克莱在自己研究p-n结理论的基础上发明了另一种面结型晶体管,并于1948年6月取得了专利。面结型晶体管又称场效应晶体管,它是平面状的(见图3),可以通过一些平面工艺(如扩散、掩膜等)进行大规模生产。因此只有在面结型晶体管发明以后,晶体管的优越性才很好地被人认识,逐渐取代了真空电子管。 

由于巴丁、布拉顿和肖克莱在晶体管和结型晶体管发明上的贡献,在1956年获得了诺贝尔物理奖。作为半导体晶体管的第一个应用就是索尼公司的便携式收音机,风靡全球,赚了大钱。


3
集成电路的发明

晶体管收音机比电子管收音机小多了,可以随身携带。但它是由晶体管、电阻、电容、磁性天线焊在一块电路板上,相互之间由导线相连。体积还比较大,装配工艺复杂。


1958年美国政府设立了晶体管电路小型化基金,以便适应美国为赶超前苏联发射的第一颗人造卫星的需要。那时,德克萨斯公司的基尔比承担了这一任务,试图制造将晶体管、电阻器和电容器等包装在一起的小型化电路。


1958年9月基尔比制成了世界上第一个集成电路振荡器,这一切都记载在他当天的笔记中。基尔比发明的集成电路在1959年2月取得了专利权,名称为“小型化电子电路”。


与此同时,美国加州菲切尔德(仙童)半导体公司的诺伊斯提出了用铝连接晶体管的想法。在基尔比发明集成电路5个月以后,即1959年2月,他采用霍尔尼提出的平面晶体管方法,在整个硅片上生成SiO2掩膜,应用光刻技术按模板刻成窗口和引线通路,通过窗口扩散杂质,构成基极、发射极和集电极,将金或铝蒸发,因而制成集成电路。1959年7月诺伊斯的集成电路取得了专利权,名称为“半导体器件与引线结构”。从此集成电路走上了大规模发展的新时期。


4
太阳能电池的发明

为了人造卫星的需要,1954年皮尔森和富勒利用磷和硼的扩散技术制成了大面积的硅p-n结太阳能电池,光电转换效率达6%以上,超过了过去最好的太阳能转换效率的15倍。它的制作成本低廉,可以批量生产,因此很快得到了大规模的应用。


太阳能电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在半导体上时,在半导体中产生电子-空穴对。如果接通外电路,就会有电流通过,这就是光生伏特效应。

    

太阳能电池的商业应用开始于1958年,它被选用为美国第一个人造卫星Vanguard I的无线电发射机的电源。当前能源危机下,太阳能电池作为一种再生和无污染电源引起了人们极大的注意。


5
半导体激光器的发明    

半导体发光管和激光器的工作原理和太阳能电池正好相反:太阳能电池是用光产生电,而发光管、激光器则用电产生光。用电流将电子和空穴分别引入半导体的导带和价带。电子和空穴复合,产生光子。 


1962年美国霍尔用p-n同质结制成了第一个半导体激光器。产生激光必须满足3个条件:粒子数的反转分布、谐振腔和电流超过一定阈值。    


1963年美国的克勒默和苏联的阿尔费罗夫各自独立地制成了异质结激光器,也就是在图8中,结区用一种禁带宽度小的材料,如GaAs;两边的p区和n区用另一种禁带宽度大的材料,如AlxGa1-xAs。这样,发光区域被限制在窄小结区中。


因此大大提高了发光效率,降低了激光器的阈值电流。1970年苏联的约飞研究所和美国的贝尔实验室分别制成了室温下连续工作的双异质结激光器,从而使半导体激光器在光通信中得到了广泛的应用。


由于克勒默和阿尔费罗夫在发展半导体激光器方面的重要贡献,他们在2000年和集成电路发明者基尔比一起获得了诺贝尔物理奖。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明使得世界进入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代,大大促进了社会和经济的发展。


6
分子束外延技术的发明    

制造双异质结激光器的一个关键技术是分子束外延。1968年贝尔实验室的卓以和发现,在超高真空容器中通过精细控制束流的大小和时间,能够按照需要生长不同层数、不同种类的半导体材料,因而发明了分子束外延技术。分子束外延设备的示意图见图11。


装置内部处于超高真空条件下(10-10torr),蒸发炉内装有原材料元素(如Ga、As、Al等)的源。前面是可以控制的挡板,打开挡板,将被蒸发的源原子直射至加热的衬底上进行外延生长。目前用这种技术已经能做到单原子层的生长。装置周围是一些检测仪器,用以监控生长过程。


半导体技术的应用
1
大规模集成电路和计算机    

大规模集成电路为计算机、网络的发展打下了基础。按照摩尔定律,集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度发展,最近它的线度已达到几十纳米(毫米、微米、纳米),每一个芯片上包含了上百亿个元件。


计算机科学已经发展到很高水平,无论是计算机的硬件还是软件都已十分成熟,每秒万亿次甚至更高速度的计算机(天河:2000万亿次,世界第二)都已问世,这为各种高速运算、海量信息处理和转换提供了有力的工具。  


自从1943年计算机诞生以来,由于集成电路的发明,计算机向着高运算速度、体积小型化方向飞速发展。目前世界主要发达国家和中国都已拥有百万亿次以上浮点运算的大型计算机。中国制造和拥有这种超级计算机的数量在世界上据第二位,仅次于美国。


这种超级计算机能用于分析蛋白质、开发新药等,在军事上可用于模拟核爆炸、解密码等。需要说明的是制造这种计算机所需的大规模集成电路中国还很落后,大部分还需进口。


2
光通信技术    

以前长距离通信靠长途电话或电报。因为通话数目少,价钱很贵。1966年英国标准通信实验室的高锟(K. C. Kao)提出用无杂质高透明度的玻璃纤维传输激光信号。如果它的损耗能低到20分贝/公里,则就能实现长距离光通信。


1970年纽约康宁玻璃厂的毛瑞尔(R. D. Maurer)等用“淀积工艺”将四氯化硅蒸气经过火焰水解,制成密实的玻璃管,再加热后通过模子拉制成细的玻璃纤维。低损耗的玻璃纤维的诞生是光通信技术的里程碑进展。

 

   

1976年美国贝尔实验室在亚特兰大进行了第一次光通信实地实验,取得了很好的效果。光纤的平均功率损耗为6分贝/公里,无差错传输信息超过10.9公里,相当于通过光纤环路17周。1976年12月贝尔实验室宣布:光波通信通过了它的首次检验,光波通信的可能性已经得到证明。从此宣告了光通信时代的来临,并预示着微电子时代向光电子时代的序幕正式揭开了。    


今天,电信网络、计算机网络和有线电视网络已经成为一个国家重要基础设施,所有政治、经济、军事、科技活动以至人们日常生活时刻都离不开这三网。我国现有电话用户8亿5千万,其中移动手机用户4亿8千万,是世界上最大的电信网络。计算机上网用户已达1.37亿,有线电视用户达1.3亿,占世界三分之一。   

 

将来的趋势是三网合一。现在的手机上网已经很普遍了,这方面美国的苹果公司走在了前面。   


光有不同的颜色和波长。不是所有颜色的光都能在光纤中传播。 


光纤的损耗分别在1450-1550nm和1250-1350nm处具有最低值和次低值,因此是光纤通信的2个主要窗口。为了让一根光纤能传播尽量多的信息通道,采用了波分复用的光通信系统,就是把这2个波段划分成很窄的波长,每个波长形成一定的通信容量。将不同波长的信号通过一根光纤传至对方,再经过解复用,由光检测器恢复原来以不同波长传递的电信号。由于光信号在传递中会逐步衰减,为了达到长距离传输的目的,每隔一定距离需要通过掺铒光纤放大器将其信号放大。


3
无线通信技术(手机)    

无线通信的基础是蜂窝式移动电话,它的早期制式是贝尔实验室在1978年推出的“先进移动电话服务”系统(AMPS)。该系统是将服务的区域分成许多小的六角形的地理区域(cell),就像蜂窝一样(见图19)。每个小区内有低功率的无线电话发射器、接收器和一个控制系统,形成一个基站。


各服务区的基站通过光纤连接到中央交换实体(移动电话局),该实体装有电子交换系统。基站网络追踪移动终端的位置,当移动终端到达另一小区时能自动与邻近的基站重建联系,以便继续通话。由于小区内的无线通话功率低,只影响限定的范围,因而与别的小区的通信信号不会产生干扰。


    


第一个AMPS系统在1979年7月在芝加哥试验成功。1992年4月,AT&T公司微电子集团宣布制成新一代数字蜂窝电话的集成电路芯片,使该公司成为移动通信数字信号处理元件的领先供应者。这种数字信号处理器构成DSP1600系列,它使手机的体积和功率大大减小,在市场上大受用户欢迎。

    

除了手机通信以外,还有其它的无线通信手段(见图20),包括:卫星传输高清晰度电视、卫星间通讯、多点视频通讯、无线局域网、交通工具之间的通讯、以及防撞雷达等。它们的工作频率在微波波段,从几个GHz到100GHz。



各种无线通信及其工作频率。波段从微米到毫米波段,频率为20-80 GHz。

    

无线通讯中最关键的器件是半导体高频振荡器件,目前有2种:高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。它们实际上就是典型的三极管,但由于利用分子束外延技术,n-p-n每一层都可以做得很薄,缩小了电子运动的路径,具有高的截止频率fT。目前这两种器件的截止频率都已达到了100GHz以上,满足了无线通信的需要。


npn型双极晶体管截面图

4
半导体太阳电池——太阳电池用硅材料    

太阳电池用硅材料主要包括:直拉硅单晶、非晶硅、带状硅和薄膜多晶硅,这些材料在实验室和产业中制成的太阳电池的效率如图22。 


目前铸造多晶硅占太阳能电池材料的47.54%,是最主要的太阳电池材料。到2004年,铸造多晶硅的市场份额已经超过53%。直拉单晶硅占35.17%,占据第二位,而非晶硅薄膜占8.3%,位于第三位,而化合物半导体CuInSe和CdTe仅占0.6%。

不同的半导体材料在实验室和产业中制成的太阳电池效率

5
半导体太阳电池——多晶硅太阳电池    

直到上世纪90年代,太阳能光伏工业还是主要建立在硅单晶的基础上。虽然硅单晶电池的成本在不断下降,但是和常规电力相比还是缺乏竞争力,因此,不断降低成本是光伏界追求的目标。


自上世纪80年代铸造多晶硅 的发明和应用以来,增长迅速。它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场,成为最有竞争力的太阳电池材料,到本世纪初,已占到50%以上,已经成为最主要的太阳电池材料。


铸造多晶硅硅片的表面光学照片

    

到目前为止,铸造多晶硅的晶锭重量已经达到300 kg,太阳电池片的尺寸达到210×210 mm2。到本世纪初,多晶硅太阳电池的效率达到20.3%。在实际生产中,铸造多晶硅太阳电池的最高效率也达到17.7%左右,接近直拉硅单晶太阳电池的光电转换效率。


6
半导体太阳电池——非晶硅薄膜太阳电池    

今日非晶硅薄膜太阳电池已发展成为实用廉价的太阳电池品种之一,具有相当的工业规模。世界上非晶硅太阳电池的总组件生产能力达到每年50MW以上,组件及相关产品的销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源,大到10MW级的独立电站,对太阳能光伏的发展起了重要的推动作用。    


和晶体硅相比,非晶硅薄膜具有制备工艺简单、成本低和可大面积连续生产的优点。在太阳电池领域,其优点具体表现为:  


(1)材料和制造工艺成本低。这是因为非晶硅薄膜太阳电池是制备在廉价的衬底材料上,如玻璃、不锈钢、塑料等,其价格低廉;而且,非晶硅薄膜仅有数千埃厚度,不足晶体硅电池厚度的百分之一,这也大大降低了硅原材料的成本;进一步而言,非晶硅制备是在低温进行,其沉积温度为100℃~300℃,显然,规模生产的能耗小,可以大幅度降低成本。

  

(2)易于形成大规模生产能力。


(3)多品种和多用途。  


(4)易实现柔性电池。非晶硅可以制备在柔性的衬底上,而且它的硅网结构力学性能特殊,因此,它可以制备成轻型、柔性太阳电池,易于和建筑集成,以及各种日常用品。

   

但是,和晶体硅相比,非晶硅太阳电池的效率相对较低,在实验室电池的稳定的最高转换效率只有16%左右;在实际生产线上,效率不超过10%;而且,非晶硅太阳电池的光电转化效率在太阳光的长期照射下有严重地衰减,到目前为止仍然没有根本解决。    


另外,还有军事和卫星用的化合物太阳能叠层电池。


7
半导体白光照明

➤1.发展半导体白光照明意义   


 氮化镓发光管(LED)是一种高效长寿命的固态照明光源。白炽灯、荧光灯是目前面广量大的传统白光照明光源。白炽灯是一种热光(色温2800K),含有大量的红外线,工作寿命短,发光效率低,而荧光灯则是一种冷光,高效率,但寿命短,有毒(含汞)。与传统的白炽灯和荧光灯相比,氮化镓发光管是一种具有体积小、重量轻、电压低、效率高、寿命长等特点的固态照明冷光源,因此是一种节能、绿色照明光源。    


氮化镓LED目前已经用在许多场合:景观灯、交通灯、汽车尾灯、大屏幕显示灯。

    

能源是经济、社会可持续发展不可缺少的要素,节约能源、提高能效是可持续发展能源的重大战略。据统计,全世界“照明”耗能约占总电功率的20%。由于LED高效发光,LED白光照明可节省大量的发电煤和原油使用量,全球每年可减少25亿吨CO2排放量。


因此,氮化镓LED白光照明具有巨大的市场前景,将来成本和效率问题解决以后,可代替目前广泛使用的白炽灯和荧光灯,引发一次白光照明技术革命。国际上把半导体照明光源中期目标(5-10年内)定为>100 lm/W,2020年达到200 lm/W或300 lm/W,这样就可替代传统照明。


➤2.氮化镓LED白光照明的技术途径    


众所周知,由红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三基色可合成白光,如图24所示。该图为1931色度图,三角形中央虚线区为白光区。氮化镓LED一般只能发出一种颜色的光。白光照明也要通过RGB三基色的合成来实现。RGB三基色可以直接靠LED发射三基色光,也可用LED去激发荧光物质,通过二次光转换获得三基色光或准三基色光。

  

所以,实现氮化镓LED白光照明有两种技术途径:一种是利用氮化镓发光二极管(LED)去激发荧光物质转换成白光,可称作为“二次光转换白光技术”;另一种是利用LED直接发射白光,可称作为“直接发射白光技术”。


➤3. LED白光照明技术发展方向


(1)研究发展近紫外、深紫外LED器件,实现高显色指数的“固体白光荧光灯”。这种白光技术具有显色指数高(CRI>90)、转换效率高(外量子效率43%),色彩重现性高等特点,是一种较理想的白光源。


(2)研究发展III族氮化物LED直接发射白光技术


(3)研究提高LED发光效率、光通量,发展功率型LED其器件


传统白炽灯发光效率为16 lm/W,荧光灯发光效率为85 lm/W,因此,Ⅲ族氮化物LED白光照明光源要替代白炽灯和荧光灯,其发光效率至少要超过100 lm/W,同时要降低成本。


8
光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器

光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器等是半导体激光器的另一重大应用领域。CD盘(只读声盘)、DVD(数值可视盘)所用的激光器波长分别为780nm和670nm、650nm,由激光器将信息“写”入光盘或者从光盘上“读”出声音或光信号。激光器的波长越短,光盘存储密度就越高。波长为410nm的InGaN激光器可以将光盘的存储量再提高一大步。波长为670-630nm的InGaAlP激光器已在许多场合取代了He-Ne激光器,在激光测距、激光打印、激光医疗仪器中得到了重要的应用。


9
半导体激光器的军事应用    

波长为808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG(掺钇铝石榴石)固体激光器的泵浦光源,代替了原来的氙气激光器,取消了庞大的电源和冷却系统,使固体激光器变得高效率、小体积、高性能、长寿命、低成本,适合于军事应用,例如激光雷达和核爆炸模拟、核聚变研究。水下光传播的窗口为590nm,蓝绿光激光器的诞生为水下通信开了绿灯。火箭、飞机飞行过程中掌握方向的光纤陀螺中最关键的器件是半导体超辐射发光二极管。


10
环境保护    

大自然中,水汽、甲烷、氨气、二氧化碳、一氧化碳、盐酸、溴酸、硫化氢等气体的灵敏吸收峰在1.5-2.0mm范围。InAsSb或GaInAsSb应变量子阱激光器的波长可达1.0-4.0mm范围,近年来出现的量子级联激光器的波长可达4.0-17mm。这些覆盖了红外-远红外范围的各类激光,构成了大气监控、监测的环保卫士。


半导体技术的未来发展
1
信息技术的革命    

信息传输。信息量的爆炸式的增加,对信息通道的容量要求越来越大。在网上传递的不仅是文字、而且还有音乐、图像、电视信号等;不仅是有线,还需要无线;不仅是洲际、国际、城际,而且需要局域网。为此需要发展新的通信系统,如综合业务数字网络(ISDN)以及多媒体技术等。


信息处理,包括文本处理、知识处理、图像处理以及语言识别、图像识别、智能化处理等。人工智能就是通过计算机实现了某些人的智能。例如:理解和发出语言、识别图像、作数学证明、下棋、音乐作曲、进行专业鉴定、医学诊断等。计算机将把人们从一部分日常的脑力劳动中解放出来,并且通过应用“思维工具”把人们的智慧扩大到以前不可想象的程度。


2
更高的集成度    

世界集成电路主流工艺将经过:2007年的65纳米(集成电路线宽)、2010年的45纳米、2013年的33纳米、以及2016年的22纳米工业化生产的4个发展阶段。为此,就必须解决一系列的关键技术和专用设备,如:新型器件的研发(非传统CMOS器件、新型存储器、逻辑器件等),IC设计、封装、和测试技术,新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。    


半导体器件的尺寸不能无限制地减小,如果器件尺寸小到电子的德波罗依波长(10纳米),量子效应将会更加明显,这时需要设计建立在量子力学原理基础上的新型半导体器件。


3
半导体光电器件

半导体光电器件向更长和更短波长、更大功率、更高工作频率的方向发展   


大功率激光器列阵分准连续(QCW)器件与连续(CW)器件,它们除了作固体激光器的泵浦源外,还可直接用作材料加工、医疗、仪器、敏感技术、印刷制版等,进入传统中由非半导体激光器主宰的市场,代替气体、固体激光器。AlGaN/GaN异质结双极晶体管具有线性好、电流容量大、阈值电流均匀等优点,主要应用在线性度要求高、工作环境苛刻的大功率微波系统中,如军用雷达、通信等;还可应用于在苛刻环境下工作的智能机器人等系统中。


4
集成光学和集成光电子学    

由集成在半导体薄膜上的激光器、调制器、波导、光栅、棱镜和其它无源光学元件构成的系统叫做集成光学系统。集成光学系统用光互连代替电互连,在计算机和通信系统中具有通带宽、信息量大、损耗小、速度快、能并行处理、抗电磁干扰等优点。硅材料的成本低廉、工艺成熟,在微电子器件中得到广泛应用。但是由于它是间接带隙材料,不能作发光器件。目前科学家们正在解决光源的问题,以便在硅材料上做到光电集成。


5
半导体超晶格和量子线、量子点器件

半导体超晶格、量子线、量子点是低维结构,它们具有一些特殊的物理性质,如量子限制效应和电子运动的二维或一维特性,可以制成一些性能优异的器件,如:激光器、高电子迁移率器件、光双稳器件、共振隧穿器件等。当器件的尺寸、维度进一步减小,使得电子运动的平均自由程大于器件的尺寸时,电子在运动过程中将不受杂质、晶格振动等的散射,而作一种相干波运动。


利用这些特点预计可制造出超高速、超低电能的电子器件。例如量子点单电子晶体管将使动态随机存储器(DRAM)的功耗大大降低。


6
半导体量子信息器件

目前的工艺已经能在半导体量子点上产生和探测单个光子,使得半导体量子点成为实现量子信息处理(量子计算、量子通信)最有希望的固体器件。量子信息科学技术的迅速发展,为精密测量、量子计算和保密通讯等领域都提供了全新的革命性的理论和实验方法。量子信息最关键的是利用光子的相干性。


光子作为量子理论中最基本的量子化实体,能够很容易地实现收集、传递、复制、存储和处理信息的全过程,具有作为量子通讯、量子计算载体的独特的先天优势。因此基于光子过程的量子信息处理器件是各种量子信息工程的基础,它的基本原理研究和制备必将为计算科学和通讯能力带来飞越式的发展。


7
自旋电子器件   

目前微电子器件是应用载流子电荷携带信息。如果一种材料能同时利用载流子的电荷和自旋属性作为信息的载体,将可以制造出具有非挥发、低功耗、高速和高集成度的优点的器件,甚至有可能引起电子信息科学重大的变革。掺磁性离子的稀磁半导体及自旋电子学(Spintronics)即应此要求而生。


实验发现,半导体中自旋相干时间已经达到ns量级,远远超过电荷的相干时间,预示着自旋电子学在未来量子计算和量子通信中的重要应用前景。实现自旋为基的量子计算机的主要困难是精确控制和保持自旋相干,因此如何产生自旋相干电子态,以及减小自旋退相干有许多物理问题需要研究和解决。


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