Напівпровідники слугують наріжним каменем інформаційної ери, і кожна ітерація матеріалу переосмислює межі людських технологій. Від напівпровідників на основі кремнію першого покоління до сучасних матеріалів четвертого покоління з надширокою забороненою зоною, кожен еволюційний стрибок спричинив трансформаційні досягнення в галузі зв'язку, енергетики та обчислювальної техніки. Аналізуючи характеристики та логіку переходу поколінь існуючих напівпровідникових матеріалів, ми можемо передбачити потенційні напрямки розвитку напівпровідників п'ятого покоління, досліджуючи стратегічні шляхи Китаю на цій конкурентній арені.
I. Характеристики та еволюційна логіка чотирьох поколінь напівпровідників
Напівпровідники першого покоління: ера кремнієво-германієвого фундаменту
Характеристики: Елементарні напівпровідники, такі як кремній (Si) та германій (Ge), пропонують економічну ефективність та зрілі виробничі процеси, проте страждають від вузьких заборонених зон (Si: 1,12 еВ; Ge: 0,67 еВ), що обмежує допуск напруги та високочастотні характеристики.
Застосування: Інтегральні схеми, сонячні елементи, низьковольтні/низькочастотні пристрої.
Рушійна сила переходу: Зростаючий попит на високочастотні/високотемпературні характеристики в оптоелектроніці випереджав можливості кремнію.
Напівпровідники другого покоління: революція сполук III-V
Характеристики: Сполуки III-V групи, такі як арсенід галію (GaAs) та фосфід індію (InP), мають ширші заборонені зони (GaAs: 1,42 еВ) та високу рухливість електронів для радіочастотних та фотонних застосувань.
Застосування: радіочастотні пристрої 5G, лазерні діоди, супутниковий зв'язок.
Проблеми: дефіцит матеріалів (вміст індію: 0,001%), токсичні елементи (миш'як) та високі виробничі витрати.
Драйвер переходу: Енергетичні/енергетичні застосування вимагали матеріалів з вищими пробивними напругами.
Напівпровідники третього покоління: революція в енергетиці з широкою забороненою зоною
Характеристики: Карбід кремнію (SiC) та нітрид галію (GaN) забезпечують ширину забороненої зони >3 еВ (SiC: 3,2 еВ; GaN: 3,4 еВ), з чудовою теплопровідністю та високочастотними характеристиками.
Застосування: силові агрегати для електромобілів, фотоелектричні інвертори, інфраструктура 5G.
Переваги: економія енергії понад 50% та зменшення розміру на 70% порівняно з кремнієм.
Рушійна сила переходу: ШІ/квантові обчислення потребують матеріалів з надзвичайно високими показниками продуктивності.
Напівпровідники четвертого покоління: надширока межа забороненої зони
Характеристики: Оксид галію (Ga₂O₃) та алмаз (C) досягають ширини забороненої зони до 4,8 еВ, поєднуючи наднизький опір увімкненого стану з допуском напруги класу kV.
Застосування: ІС надвисокої напруги, детектори глибокого ультрафіолету, квантова комунікація.
Прориви: пристрої на основі Ga₂O₃ витримують напругу >8 кВ, що втричі збільшує ефективність SiC.
Еволюційна логіка: Для подолання фізичних обмежень необхідні квантові скачки продуктивності.
I. Тенденції напівпровідників п'ятого покоління: квантові матеріали та двовимірні архітектури
Потенційні вектори розвитку включають:
1. Топологічні ізолятори: Поверхнева провідність з об'ємною ізоляцією забезпечує електроніку з нульовими втратами.
2. 2D-матеріали: Графен/MoS₂ пропонують ТГц-частотну характеристику та гнучку сумісність з електронікою.
3. Квантові точки та фотонні кристали: Інженерія забороненої зони дозволяє оптоелектронно-теплову інтеграцію.
4. Біонапівпровідники: самоорганізуючі матеріали на основі ДНК/білків поєднують біологію та електроніку.
5. Ключові рушійні сили: ШІ, інтерфейси «мозок-комп'ютер» та вимоги до надпровідності за кімнатної температури.
II. Можливості Китаю у сфері напівпровідників: від послідовника до лідера
1. Технологічні прориви
• 3-тє покоління: Масове виробництво 8-дюймових SiC-підкладок; автомобільні SiC-MOSFET-транзистори в автомобілях BYD
• 4-те покоління: прориви в епітаксії Ga₂O₃ розміром 8 дюймів, розроблені XUPT та CETC46
2. Підтримка політики
• 14-й п'ятирічний план надає пріоритет напівпровідникам третього покоління
• Створено провінційні промислові фонди на суму сто мільярдів юанів
• Віхи: 6-8-дюймові пристрої на основі GaN та транзистори Ga₂O₃ увійшли до десятки найкращих технологічних досягнень 2024 року
III. Виклики та стратегічні рішення
1. Технічні вузькі місця
• Ріст кристалів: Низький вихід для кристалів великого діаметра (наприклад, розтріскування Ga₂O₃)
• Стандарти надійності: Відсутність усталених протоколів для випробувань на старіння при високій потужності/високої частоті
2. Прогалини в ланцюжку поставок
• Обладнання: <20% місцевого вмісту для виробників кристалів SiC
• Впровадження: Перевага надається імпортованим компонентам у нижчих етапах виробництва
3. Стратегічні шляхи
• Співпраця між промисловістю та академічними колами: за зразком «Альянсу напівпровідників третього покоління»
• Нішева спрямованість: пріоритет квантових комунікацій/ринків нової енергії
• Розвиток талантів: створення академічних програм «Чіп-наука та інженерія»
Від кремнію до Ga₂O₃, еволюція напівпровідників є свідченням тріумфу людства над фізичними обмеженнями. Можливості Китаю полягають у оволодінні матеріалами четвертого покоління, одночасно будучи піонером інновацій п'ятого покоління. Як зазначив академік Ян Дерен: «Справжні інновації вимагають прокладання незвіданих шляхів». Синергія політики, капіталу та технологій визначатиме долю Китаю в галузі напівпровідників.
XKH стала вертикально інтегрованим постачальником рішень, що спеціалізується на передових напівпровідникових матеріалах для кількох поколінь технологій. Маючи основні компетенції, що охоплюють вирощування кристалів, прецизійну обробку та технології функціональних покриттів, XKH постачає високопродуктивні підкладки та епітаксіальні пластини для передових застосувань у силовій електроніці, радіочастотному зв'язку та оптоелектронних системах. Наша виробнича екосистема охоплює запатентовані процеси виробництва пластин з карбіду кремнію та нітриду галію розміром 4-8 дюймів з провідним у галузі контролем дефектів, одночасно підтримуючи активні програми досліджень та розробок у нових матеріалах з надширокою забороненою зоною, включаючи оксид галію та алмазні напівпровідники. Завдяки стратегічній співпраці з провідними дослідницькими установами та виробниками обладнання, XKH розробила гнучку виробничу платформу, здатну підтримувати як великосерійне виробництво стандартизованої продукції, так і спеціалізовану розробку індивідуальних матеріальних рішень. Технічна експертиза XKH зосереджена на вирішенні критичних галузевих проблем, таких як покращення однорідності пластин для силових пристроїв, покращення теплового управління в радіочастотних застосуваннях та розробка нових гетероструктур для фотонних пристроїв наступного покоління. Поєднуючи передове матеріалознавство з можливостями точної інженерії, XKH дозволяє клієнтам долати обмеження продуктивності у високочастотних, потужних та екстремальних умовах експлуатації, одночасно підтримуючи перехід вітчизняної напівпровідникової промисловості до більшої незалежності від ланцюга поставок.
Нижче наведено 12-дюймову сапфірову пластину та 12-дюймову підкладку SiC від XKH:
Час публікації: 06 червня 2025 р.