Półprzewodniki są kamieniem węgielnym ery informacji, a każda iteracja materiału na nowo definiuje granice ludzkiej technologii. Od pierwszej generacji półprzewodników na bazie krzemu do dzisiejszych materiałów czwartej generacji o ultraszerokiej przerwie energetycznej, każdy skok ewolucyjny napędzał transformacyjne postępy w komunikacji, energetyce i komputerach. Analizując charakterystykę i logikę przejścia generacyjnego istniejących materiałów półprzewodnikowych, możemy przewidzieć potencjalne kierunki dla półprzewodników piątej generacji, jednocześnie badając strategiczne ścieżki Chin na tej konkurencyjnej arenie.
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 opłacalne i mają dojrzałe procesy produkcyjne, jednak ich wadą są wąskie przerwy energetyczne (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), co ogranicza tolerancję napięciową i wydajność przy wysokich częstotliwościach.
Zastosowania: układy scalone, ogniwa słoneczne, urządzenia niskonapięciowe/niskoczęstotliwościowe.
Siła napędowa zmian: Rosnący popyt na optoelektronikę o wysokiej częstotliwości i wysokiej temperaturze przewyższył 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 pozwala na 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 energetyczne >3eV (SiC:3,2eV; GaN:3,4eV), przy doskonałej przewodności cieplnej i wysokich częstotliwościach.
Zastosowania: układy napędowe pojazdów elektrycznych, falowniki fotowoltaiczne, infrastruktura 5G.
Zalety: ponad 50% oszczędności energii i 70% redukcja rozmiaru w porównaniu do krzemu.
Sterownik przejściowy: Sztuczna inteligencja/komputery 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 bardzo wysokim napięciu, detektory głębokiego ultrafioletu, komunikacja kwantowa.
Przełomy: Urządzenia Ga₂O₃ wytrzymują >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: Przewodzenie powierzchniowe przy izolacji masowej umożliwia elektronikę bez strat.
2. Materiały 2D: Grafen/MoS₂ oferują odpowiedź częstotliwościową THz i elastyczną kompatybilność z urządzeniami elektronicznymi.
3. Kropki kwantowe i kryształy fotoniczne: Inżynieria przerwy energetycznej umożliwia integrację optoelektroniczno-termiczną.
4. Biopółprzewodniki: samoorganizujące się materiały na bazie DNA/białek łączą biologię i elektronikę.
5. Główne czynniki napędowe: 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 stawia na półprzewodniki trzeciej generacji
• Utworzono prowincjonalne fundusze przemysłowe o wartości stu miliardów juanów
• Kamienie milowe 6-8-calowe urządzenia GaN i tranzystory Ga₂O₃ wymienione wśród 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% zawartości krajowej dla hodowców kryształów SiC
• Przyjęcie: Preferencje downstream dla importowanych komponentów
3. Ścieżki strategiczne
• Współpraca przemysłu ze środowiskiem akademickim: wzorowana na „Sojuszu Półprzewodników Trzeciej Generacji”
• Skupienie się na niszy: priorytetyzacja komunikacji kwantowej/nowych rynków energii
• Rozwój talentów: Utworzenie programów akademickich „Nauka i inżynieria chipów”
Od krzemu do Ga₂O₃, ewolucja półprzewodników opisuje triumf ludzkości nad ograniczeniami fizycznymi. Szansa Chin leży w opanowaniu materiałów czwartej generacji przy jednoczesnym byciu pionierem innowacji piątej generacji. Jak zauważył akademik Yang Deren: „Prawdziwa innowacja wymaga wytyczania nieuczęszczanych ścieżek”. Synergia polityki, kapitału i technologii określi przeznaczenie półprzewodników w Chinach.
XKH wyrosło na zintegrowanego pionowo dostawcę rozwiązań specjalizującego się w zaawansowanych materiałach półprzewodnikowych w wielu generacjach technologii. Dzięki podstawowym kompetencjom obejmującym wzrost kryształów, precyzyjną obróbkę i technologie powłok funkcjonalnych, XKH dostarcza wysokowydajne podłoża i płytki epitaksjalne do najnowocześniejszych zastosowań w elektronice mocy, komunikacji RF i systemach optoelektronicznych. Nasz ekosystem produkcyjny obejmuje zastrzeżone 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 powstających materiałów o ultraszerokiej przerwie energetycznej, w tym półprzewodników z tlenku galu i diamentu. Dzięki strategicznej współpracy z wiodącymi instytucjami badawczymi i producentami sprzętu, XKH opracowało elastyczną platformę produkcyjną zdolną do obsługi zarówno masowej produkcji standaryzowanych produktów, jak i specjalistycznego rozwoju niestandardowych rozwiązań materiałowych. Ekspertyza techniczna XKH koncentruje się na rozwiązywaniu krytycznych wyzwań branżowych, takich jak poprawa jednorodności płytek dla urządzeń mocy, poprawa zarządzania termicznego w zastosowaniach RF i opracowywanie nowych heterostruktur dla urządzeń fotonicznych nowej generacji. Łącząc zaawansowaną naukę o materiałach z możliwościami precyzyjnej inżynierii, XKH umożliwia klientom przezwyciężanie ograniczeń wydajnościowych w zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości, dużej mocy i ekstremalnych warunków, 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