Semiconductorii servesc drept piatra de temelie a erei informației, fiecare iterație a materialului redefinind limitele tehnologiei umane. De la semiconductorii pe bază de siliciu de primă generație până la materialele cu bandă interzisă ultra-largă de a patra generație de astăzi, fiecare salt evolutiv a condus la progrese transformatoare în comunicații, energie și informatică. Analizând caracteristicile și logica de tranziție generațională a materialelor semiconductoare existente, putem prezice direcțiile potențiale pentru semiconductorii de a cincea generație, explorând în același timp căile strategice ale Chinei în această arenă competitivă.
I. Caracteristicile și logica evolutivă a patru generații de semiconductori
Semiconductori de primă generație: Era Fundației Siliciu-Germaniu
Caracteristici: Semiconductorii elementari precum siliciul (Si) și germaniul (Ge) oferă rentabilitate și procese de fabricație mature, însă prezintă benzi de propagare înguste (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), ceea ce limitează toleranța la tensiune și performanța la frecvență înaltă.
Aplicații: Circuite integrate, celule solare, dispozitive de joasă tensiune/joasă frecvență.
Factorul de tranziție: Cererea tot mai mare pentru performanțe de înaltă frecvență/temperatură înaltă în optoelectronică a depășit capacitățile siliciului.
Semiconductori de a doua generație: Revoluția compușilor III-V
Caracteristici: Compușii III-V precum arsenura de galiu (GaAs) și fosfura de indiu (InP) prezintă benzi interzise mai largi (GaAs: 1,42 eV) și mobilitate ridicată a electronilor pentru aplicații RF și fotonice.
Aplicații: dispozitive RF 5G, diode laser, comunicații prin satelit.
Provocări: Deficit de materiale (abundența de indiu: 0,001%), elemente toxice (arsenic) și costuri de producție ridicate.
Driver de tranziție: Aplicațiile de energie/putere au necesitat materiale cu tensiuni de străpungere mai mari.
Semiconductori de a treia generație: Revoluția energetică cu bandă largă interzisă
Caracteristici: Carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) oferă benzi de distribuție interzise >3eV (SiC:3,2eV; GaN:3,4eV), cu conductivitate termică superioară și caracteristici de înaltă frecvență.
Aplicații: sisteme de propulsie pentru vehicule electrice, invertoare fotovoltaice, infrastructură 5G.
Avantaje: economii de energie de peste 50% și reducere a dimensiunii cu 70% față de siliciu.
Factorul de tranziție: Inteligența artificială/calculul cuantic necesită materiale cu valori extreme ale performanței.
Semiconductori de a patra generație: Frontiera cu bandă interzisă ultra-largă
Caracteristici: Oxidul de galiu (Ga₂O₃) și diamantul (C) ating benzi interzise de până la 4,8 eV, combinând o rezistență la conducție ultra-scăzută cu o toleranță la tensiune de clasa kV.
Aplicații: circuite integrate de ultra-înaltă tensiune, detectoare UV profunde, comunicații cuantice.
Descoperiri: Dispozitivele Ga₂O₃ rezistă la >8kV, triplând eficiența SiC.
Logică evolutivă: Sunt necesare salturi de performanță la scară cuantică pentru a depăși limitele fizice.
I. Tendințe în semiconductori de a cincea generație: materiale cuantice și arhitecturi 2D
Printre vectorii potențiali de dezvoltare se numără:
1. Izolatori topologici: Conducția superficială cu izolație în vrac permite electronică fără pierderi.
2. Materiale 2D: Grafenul/MoS₂ oferă un răspuns în frecvență THz și o compatibilitate electronică flexibilă.
3. Puncte cuantice și cristale fotonice: Ingineria benzii interzise permite integrarea optoelectronic-termică.
4. Biosemiconductori: Materiale autoasamblate pe bază de ADN/proteine fac legătura între biologie și electronică.
5. Factori cheie: IA, interfețe creier-computer și cerințe de supraconductivitate la temperatura camerei.
II. Oportunitățile Chinei în industria semiconductorilor: de la adept la lider
1. Descoperiri tehnologice
• A 3-a generație: Producția în masă a substraturilor SiC de 8 inch; MOSFET-uri SiC de calitate auto în vehiculele BYD
• A 4-a generație: descoperiri în epitaxia cu Ga₂O₃ de 8 inci realizate de XUPT și CETC46
2. Sprijin pentru politici
• Al 14-lea Plan cincinal acordă prioritate semiconductorilor de generația a 3-a
• Înființarea unor fonduri industriale provinciale de o sută de miliarde de yuani
• Repere importante: dispozitive GaN de 6-8 inci și tranzistoare Ga₂O₃ incluse printre primele 10 progrese tehnologice din 2024
III. Provocări și soluții strategice
1. Blocaje tehnice
• Creșterea cristalelor: Randament scăzut pentru sfere cu diametru mare (de exemplu, fisurarea Ga₂O₃)
• Standarde de fiabilitate: Lipsa unor protocoale stabilite pentru testele de îmbătrânire de mare putere/înaltă frecvență
2. Lacune în lanțul de aprovizionare
• Echipamente: <20% conținut intern pentru cultivatorii de cristale de SiC
• Adoptare: Preferință în aval pentru componentele importate
3. Căi strategice
• Colaborare între industrie și mediul academic: Modelată după „Alianța Semiconductorilor de Generația a Treia”
• Nișă de concentrare: Prioritizarea comunicațiilor cuantice/noilor piețe energetice
• Dezvoltarea talentelor: Crearea de programe academice „Știința și ingineria cipurilor”
De la siliciu la Ga₂O₃, evoluția semiconductorilor relatează triumful umanității asupra limitelor fizice. Oportunitatea Chinei constă în stăpânirea materialelor de a patra generație, fiind în același timp pionieră în inovațiile de a cincea generație. După cum a remarcat academicianul Yang Deren: „Adevărata inovație necesită crearea unor căi nebătute până acum”. Sinergia dintre politică, capital și tehnologie va determina destinul Chinei în domeniul semiconductorilor.
XKH a devenit un furnizor de soluții integrate pe verticală, specializat în materiale semiconductoare avansate, în mai multe generații tehnologice. Cu competențe de bază care acoperă creșterea cristalelor, procesarea de precizie și tehnologiile de acoperire funcțională, XKH oferă substraturi de înaltă performanță și napolitane epitaxiale pentru aplicații de ultimă generație în electronica de putere, comunicațiile RF și sistemele optoelectronice. Ecosistemul nostru de producție cuprinde procese proprietare pentru producerea de napolitane din carbură de siliciu și nitrură de galiu de 4-8 inci, cu un control al defectelor de top în industrie, menținând în același timp programe active de cercetare și dezvoltare în materiale emergente cu bandă interzisă ultra-largă, inclusiv semiconductori din oxid de galiu și diamant. Prin colaborări strategice cu instituții de cercetare și producători de echipamente de top, XKH a dezvoltat o platformă de producție flexibilă, capabilă să susțină atât producția de volum mare de produse standardizate, cât și dezvoltarea specializată de soluții de materiale personalizate. Expertiza tehnică a XKH se concentrează pe abordarea provocărilor critice din industrie, cum ar fi îmbunătățirea uniformității napolitanelor pentru dispozitivele de putere, îmbunătățirea managementului termic în aplicațiile RF și dezvoltarea de heterostructuri noi pentru dispozitive fotonice de generație următoare. Prin combinarea științei avansate a materialelor cu capacitățile inginerești de precizie, XKH permite clienților să depășească limitele de performanță în aplicații de înaltă frecvență, putere mare și medii extreme, sprijinind în același timp tranziția industriei interne de semiconductori către o mai mare independență a lanțului de aprovizionare.
Următoarele sunt napolitanele de safir de 12 inci și substratul de SiC de 12 inci de la XKH:
Data publicării: 06 iunie 2025