Półprzewodniki stanowią kamień węgielny ery informacji, a każda iteracja materiału na nowo definiuje granice ludzkiej technologii. Od półprzewodników krzemowych pierwszej generacji po dzisiejsze materiały o ultraszerokiej przerwie energetycznej czwartej generacji, każdy skok ewolucyjny napędzał transformacyjne postępy w komunikacji, energetyce i informatyce. Analizując charakterystykę i logikę transformacji generacyjnej istniejących materiałów półprzewodnikowych, możemy przewidywać potencjalne kierunki rozwoju półprzewodników piątej generacji, jednocześnie badając strategiczne ścieżki rozwoju Chin na tym konkurencyjnym rynku.
I. Charakterystyka i logika ewolucyjna czterech generacji półprzewodników
Półprzewodniki pierwszej generacji: era fundamentów krzemowo-germańskich
Charakterystyka: Pierwiastkowe półprzewodniki, takie jak krzem (Si) i german (Ge), są ekonomiczne i mają dojrzałe procesy produkcyjne, jednak ich wadą są wąskie przerwy pasmowe (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), co ogranicza tolerancję napięcia i wydajność przy wysokich częstotliwościach.
Zastosowania: układy scalone, ogniwa słoneczne, urządzenia niskonapięciowe/niskoczęstotliwościowe.
Siła napędowa transformacji: Rosnące zapotrzebowanie na wydajność optoelektroniczną w zakresie wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury przewyższyło możliwości krzemu.
Półprzewodniki drugiej generacji: rewolucja w związkach III-V
Charakterystyka: Związki III-V, takie jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP), charakteryzują się szerszymi przerwami energetycznymi (GaAs: 1,42 eV) i wysoką ruchliwością elektronów, co umożliwia ich zastosowanie w zakresie częstotliwości radiowych i fotoniki.
Zastosowania: urządzenia RF 5G, diody laserowe, komunikacja satelitarna.
Wyzwania: Niedobór materiałów (objętość indu: 0,001%), pierwiastki toksyczne (arsen) i wysokie koszty produkcji.
Sterownik przejścia: Zastosowania energetyczne wymagają materiałów o wyższym napięciu przebicia.
Półprzewodniki trzeciej generacji: rewolucja energetyczna w szerokiej przerwie energetycznej
Charakterystyka: Węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) zapewniają przerwy pasmowe >3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV), przy doskonałej przewodności cieplnej i wysokich częstotliwościach.
Zastosowania: układy napędowe pojazdów elektrycznych, falowniki fotowoltaiczne, infrastruktura 5G.
Zalety: ponad 50% oszczędności energii i 70% redukcja rozmiarów w porównaniu do krzemu.
Sterownik transformacji: Sztuczna inteligencja/obliczenia kwantowe wymagają materiałów o ekstremalnych parametrach wydajnościowych.
Półprzewodniki czwartej generacji: granica ultraszerokiej przerwy energetycznej
Charakterystyka: Tlenek galu (Ga₂O₃) i diament (C) osiągają przerwy pasmowe do 4,8 eV, łącząc wyjątkowo niską rezystancję przewodzenia z tolerancją napięcia klasy kV.
Zastosowania: układy scalone o ultrawysokim napięciu, detektory głębokiego ultrafioletu, komunikacja kwantowa.
Przełom: Urządzenia Ga₂O₃ wytrzymują napięcie >8 kV, co potraja wydajność SiC.
Logika ewolucyjna: Aby pokonać ograniczenia fizyczne, konieczne są skoki wydajności na skalę kwantową.
I. Trendy w półprzewodnikach piątej generacji: materiały kwantowe i architektury 2D
Potencjalne wektory rozwoju obejmują:
1. Izolatory topologiczne: Przewodnictwo powierzchniowe z izolacją masową umożliwia elektronikę bez strat.
2. Materiały 2D: Grafen/MoS₂ zapewniają odpowiedź częstotliwościową THz i elastyczną kompatybilność z urządzeniami elektronicznymi.
3. Kropki kwantowe i kryształy fotoniczne: Inżynieria pasma wzbronionego umożliwia integrację optoelektroniczno-termiczną.
4. Biopółprzewodniki: samoorganizujące się materiały na bazie DNA/białek łączą biologię i elektronikę.
5. Główne czynniki: sztuczna inteligencja, interfejsy mózg-komputer oraz zapotrzebowanie na nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.
II. Możliwości Chin w sektorze półprzewodników: od naśladowcy do lidera
1. Przełomy technologiczne
• 3. generacja: masowa produkcja 8-calowych podłoży SiC; tranzystory MOSFET SiC klasy samochodowej w pojazdach BYD
• 4. generacja: przełomy w epitaksji 8-calowej Ga₂O₃ dzięki XUPT i CETC46
2. Wsparcie polityki
• Czternasty pięcioletni plan priorytetowo traktuje półprzewodniki trzeciej generacji
• Utworzono prowincjonalne fundusze przemysłowe o wartości stu miliardów juanów
• Kamienie milowe: urządzenia GaN o przekątnej 6–8 cali i tranzystory Ga₂O₃ na liście 10 najważniejszych osiągnięć technologicznych w 2024 r.
III. Wyzwania i rozwiązania strategiczne
1. Wąskie gardła techniczne
• Wzrost kryształów: Niska wydajność w przypadku brył o dużej średnicy (np. pękanie Ga₂O₃)
• Normy niezawodności: Brak ustalonych protokołów dla testów starzenia o dużej mocy/wysokiej częstotliwości
2. Luki w łańcuchu dostaw
• Sprzęt: <20% udziału krajowego dla hodowców kryształów SiC
• Przyjęcie: Preferencje downstream dla importowanych komponentów
3. Ścieżki strategiczne
• Współpraca przemysłu i środowiska akademickiego: wzorowana na „Sojuszu Półprzewodników Trzeciej Generacji”
• Skupienie się na niszy: priorytetyzacja komunikacji kwantowej/nowych rynków energii
• Rozwój talentów: Utworzenie programów akademickich „Nauka i inżynieria układów scalonych”
Od krzemu do Ga₂O₃, ewolucja półprzewodników to kronika triumfu ludzkości nad ograniczeniami fizycznymi. Szansa Chin leży w opanowaniu materiałów czwartej generacji i jednocześnie w pionierskich innowacjach piątej generacji. Jak zauważył akademik Yang Deren: „Prawdziwa innowacja wymaga wytyczania nieutartych ścieżek”. Synergia polityki, kapitału i technologii zadecyduje o losie Chin w dziedzinie półprzewodników.
Firma XKH stała się pionowo zintegrowanym dostawcą rozwiązań, specjalizującym się w zaawansowanych materiałach półprzewodnikowych w wielu generacjach technologicznych. Dzięki kluczowym kompetencjom obejmującym wzrost kryształów, precyzyjne przetwarzanie i technologie powłok funkcjonalnych, XKH dostarcza wysokowydajne podłoża i płytki epitaksjalne do najnowocześniejszych zastosowań w elektronice mocy, komunikacji radiowej (RF) i systemach optoelektronicznych. Nasz ekosystem produkcyjny obejmuje opatentowane procesy produkcji płytek z węglika krzemu i azotku galu o średnicy 4-8 cali, z wiodącą w branży kontrolą defektów, przy jednoczesnym utrzymaniu aktywnych programów badawczo-rozwojowych w zakresie nowych materiałów o ultraszerokim paśmie wzbronionym, w tym półprzewodników z tlenku galu i diamentu. Dzięki strategicznej współpracy z wiodącymi instytucjami badawczymi i producentami sprzętu, XKH opracowało elastyczną platformę produkcyjną, która umożliwia zarówno masową produkcję standardowych produktów, jak i specjalistyczny rozwój niestandardowych rozwiązań materiałowych. Ekspertyza techniczna XKH koncentruje się na rozwiązywaniu kluczowych wyzwań branżowych, takich jak poprawa jednorodności płytek w urządzeniach mocy, poprawa zarządzania temperaturą w zastosowaniach RF oraz opracowywanie nowatorskich heterostruktur dla urządzeń fotonicznych nowej generacji. Łącząc zaawansowaną wiedzę z zakresu materiałoznawstwa z możliwościami precyzyjnej inżynierii, XKH umożliwia klientom pokonanie ograniczeń wydajności w zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości, dużej mocy i ekstremalnych warunków środowiskowych, wspierając jednocześnie krajowy przemysł półprzewodników w przejściu na większą niezależność łańcucha dostaw.
Poniżej przedstawiono 12-calowe płytki szafirowe i 12-calowe podłoża SiC firmy XKH:
Czas publikacji: 06-06-2025