Przewidywanie i wyzwania materiałów półprzewodnikowych piątej generacji
Półprzewodniki są kamieniem węgielnym ery informacji, a iteracja ich materiałów bezpośrednio określa granice ludzkiej technologii.Od pierwszej generacji półprzewodników na bazie krzemu do obecnej czwartej generacji materiałów ultra szerokopasmowych, każde pokolenie innowacji doprowadziło do szybkiego rozwoju w takich dziedzinach jak komunikacja, energia i informatyka.Analizując cechy materiałów półprzewodnikowych czwartej generacji i logikę zastępowania pokolenia, spekuluje się o możliwych kierunkach półprzewodników piątej generacji, a jednocześnie bada się przełomową ścieżkę Chin w tej dziedzinie.
I. Charakterystyka materiałów półprzewodnikowych czwartej generacji i logika zastąpienia pokolenia
"Era fundamentalna" pierwszej generacji półprzewodników: krzemu i germanium
Charakterystyka:Elementarne półprzewodniki reprezentowane przez krzem (Si) i germanium (Ge) mają zalety niskiego kosztu, dojrzałego procesu i wysokiej niezawodności.są ograniczone stosunkowo wąską szerokością pasma (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), co powoduje słabe napięcie oporowe i niewystarczającą wydajność wysokiej częstotliwości.
Zastosowanie:Układy zintegrowane, ogniwa słoneczne, urządzenia niskiego napięcia i niskiej częstotliwości.
Powód zmiany pokolenia:Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wysoką częstotliwość i wysoką temperaturę w dziedzinie komunikacji i optoelektroniki materiały na bazie krzemu stopniowo nie są w stanie sprostać tym wymaganiom.
Optyczne płytki Ge Windows & Si firmy ZMSH
Półprzewodniki drugiej generacji: "rewolucja optoelektroniczna" złożonych półprzewodników
Charakterystyka:Związki grupy III-V reprezentowane przez arszenek galiu (GaAs) i fosforek india (InP) mają zwiększoną szerokość pasma (GaAs: 1,42 eV), wysoką mobilność elektronów,i są odpowiednie do konwersji wysokiej częstotliwości i fotoelektrycznej.
Zastosowanie:Urządzenia radiowe 5G, lasery, łączność satelitarna.
Wyzwania:Ograniczone ilości materiałów (np. rezerwy india wynoszące zaledwie 0,001%), wysokie koszty przygotowania i obecność toksycznych pierwiastków (np. arsen).
Przyczyna zastąpienia pokolenia:Nowe urządzenia energetyczne i wysokonapięciowe stawiają wyższe wymagania w zakresie odporności na napięcie i wydajności, co prowadzi do powstania materiałów o szerokim przepływie.
Płytki GaAs i InP ZMSH
Półprzewodniki trzeciej generacji: "Rewolucja energetyczna z szeroką pasmową"
Charakterystyka:Z węglem krzemu (SiC) i azotkiem gallu (GaN) jako rdzeniem, szerokość pasma jest znacznie zwiększona (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), charakteryzująca się wysokim polem elektrycznym rozkładu,wysoka przewodność cieplna i charakterystyka wysokiej częstotliwości.
Zastosowanie:Elektryczne układy napędowe dla pojazdów nowej energii, falowników fotowoltaicznych, stacji bazowych 5G.
Zalety:W porównaniu z urządzeniami na bazie krzemu zużycie energii zmniejsza się o ponad 50%, a objętość - o 70%.
Przyczyna zastąpienia pokolenia:Wschodzące dziedziny, takie jak sztuczna inteligencja i obliczenia kwantowe, wymagają materiałów o wyższych wydajnościach do wsparcia, a materiały o ultra szerokim przepływie pojawiły się zgodnie z wymaganiami The Times.
Płytki SiC i GaN firmy ZMSH
Półprzewodniki czwartej generacji: "Ekstremalny przełom" w zakresie ultra szerokiego pasma
Charakterystyka:Wykorzystując tlenek galiu (Ga2O3) i diament (C), szerokość przepustowości została jeszcze zwiększona (tlenek galiu: 4,8 eV), charakteryzując się zarówno bardzo niskim oporem, jak i bardzo wysokim napięciem oporowym,i ma ogromny potencjał kosztowy.
Zastosowanie:Ultra wysokiego napięcia, detektory ultrafioletowe, urządzenia komunikacyjne.
Przełom:Urządzenia z tlenkiem galiu mogą wytrzymać napięcia powyżej 8000 V, a ich wydajność jest trzykrotnie wyższa niż SiC.
Logika zastępowania pokoleń:Globalne dążenie do mocy obliczeniowej i efektywności energetycznej zbliżyło się do fizycznego limitu, a nowe materiały muszą osiągnąć skoki wydajności w skali kwantowej.
Wafer Ga2O3 i GaN On Diamond ZMSH
II. Trendy w półprzewodnikach piątej generacji: "Bliski plan" materiałów kwantowych i struktur dwuwymiarowych
Jeśli ewolucyjna ścieżka "rozszerzenia szerokości pasma + integracji funkcjonalnej" będzie kontynuowana, półprzewodniki piątej generacji mogą koncentrować się na następujących kierunkach:
1) Izolator topologiczny:Dzięki właściwościom przewodzenia powierzchniowego i izolacji wewnętrznej może być stosowany do budowy urządzeń elektronicznych o zużyciu energii zerowej,przełamanie wąskiego gardła wytwarzania ciepła tradycyjnych półprzewodników.
2) Materiały dwuwymiarowe:W tym celu należy wprowadzić nowe technologie, takie jak grafen i dysulfid molibdenowy (MoS2), o grubości na poziomie atomowym, nadają ultra wysokiej częstotliwości i elastyczny potencjał elektronowy.
3) Punkty kwantowe i kryształy fotoniczne:Poprzez regulację struktury pasma poprzez efekt zamknięcia kwantowego osiąga się wielofunkcyjną integrację światła, energii elektrycznej i ciepła.
4) Biosemiconductory:Materiały samozgromadzące się na bazie DNA lub białek, kompatybilne z systemami biologicznymi i obwodami elektronicznymi.
5) Główne siły napędoweZapotrzebowanie na przełomowe technologie, takie jak sztuczna inteligencja, interfejs mózg-komputer,i nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej sprzyja ewolucji półprzewodników w kierunku inteligencji i biokompatybilności.
Możliwości dla chińskiego przemysłu półprzewodnikowego: od "podążania" do "trzymania tempa"
1) Przełomy technologiczne i układ łańcucha przemysłowego
· Półprzewodniki trzeciej generacji:Chiny osiągnęły masową produkcję 8-calowych substratów SiC, a silniki SiC MOSFET klasy motoryzacyjnej zostały z powodzeniem zastosowane w takich producentach samochodów jak BYD.
· Półprzewodniki czwartej generacji:Uniwersytet Pocztowy i Telekomunikacyjny w Xi'an i 46 Instytut Badawczy Chińskiej Grupy Technologii Elektronicznej przełamały 8-calową technologię epitaksjalną tlenku galium,Wchodząc w pierwszy szczebel świata.
2) Wsparcie polityczne i kapitałowe
·W 14 planie pięcioletnim kraju wymieniono półprzewodniki trzeciej generacji jako kluczowe cele, a samorządy lokalne ustanowiły fundusze przemysłowe o wartości ponad 10 miliardów juanów.
·Wśród dziesięciu najlepszych postępów technologicznych w 2024 r. wybrano osiągnięcia takie jak 6-8-calowe urządzenia azotanu galiu i tranzystory tlenku galiu.wykazanie przełomowego trendu w całym łańcuchu przemysłowym.
IV. Wyzwania i droga do przełomu
1) Wąskie gardło techniczne
· Przygotowanie materiału:Wydajność wzrostu dużych pojedynczych kryształów jest niska (np. tlenek galiu jest podatny na pęknięcia), a trudność kontroli wad jest wysoka.
· Niezawodność urządzenia:Standardy badania trwałości w warunkach wysokiej częstotliwości i wysokiego napięcia nie są jeszcze zakończone, a cykl certyfikacji urządzeń klasy motoryzacyjnej jest długi.
2) Wady w łańcuchu przemysłowym
· Sprzęt wysokiej klasy zależy od importu:Na przykład krajowa stopa produkcji pieców do wzrostu kryształu węglika krzemu wynosi mniej niż 20%.
· Słaby ekosystem aplikacji:Przedsiębiorstwa działające w dalszym ciągu preferują importowane komponenty, a krajowe zastąpienie wymaga wytycznych politycznych.
3) Rozwój strategiczny
1Współpraca między przemysłem a uczelniami i naukowcami:Opierając się na modelu "Trzeciego Pokolenia Sojuszu Półprzewodników",Połączymy siły z uniwersytetami (np. Uniwersytet Zhejiang, Instytut Technologii Ningbo) i przedsiębiorstwami w celu rozwiązania podstawowych technologii..
2- zróżnicowana konkurencjaKoncentruj się na rynkach rozwijających się, takich jak nowa energia i komunikacja kwantowa, i unikaj bezpośredniej konfrontacji z tradycyjnymi gigantami.
3- Kultywowanie talentów:Utworzenie specjalnego funduszu na przyciągnięcie najlepszych zagranicznych naukowców i promowanie budowy dyscypliny "Chip Science and Engineering".
Od krzemu po tlenek galiu, ewolucja półprzewodników to epicka historia ludzkości, która przekracza fizyczne granice.Jeśli Chiny wykorzystają okazję czwartej generacji półprzewodników i zrobią plany przyszłościowe dla materiałów piątej generacjiJak powiedział akademik Yang Deren: "Prawdziwa innowacja wymaga odwagi, aby podążać nieznaną ścieżką." Na tej drodze, rezonans polityki, kapitału i technologii określi ogromny ocean chińskiego przemysłu półprzewodnikowego.
ZMSH, jako dostawca w sektorze materiałów półprzewodnikowych,ma wszechstronną obecność w całym łańcuchu dostaw, począwszy od płytek krzemowych/germańskich pierwszej generacji po płyty cienkie z tlenku galiu czwartej generacji i diamentySpółka koncentruje się na zwiększeniu produkcji masowej komponentów półprzewodnikowych trzeciej generacji, takich jak podłoże węglowodorów krzemowych i płytki epitaksyjne z azotanu galium.równolegle zwiększając swoje rezerwy techniczne w zakresie przygotowania kryształowego dla materiałów ultra szerokopasmowychWykorzystując pionowo zintegrowany system badań i rozwoju, wzrostu kryształów i przetwarzania, ZMSH dostarcza dostosowane rozwiązania materiałowe dla stacji bazowych 5G, urządzeń zasilania nowymi energiami i systemów laserowych UV.Spółka opracowała stopniową strukturę mocy produkcyjnych, począwszy od 6-calowych płytek z arsenkiem galium do 12-calowych płytek z węglem krzemowym, aktywnie przyczyniając się do realizacji strategicznego celu Chin w zakresie budowy samowystarczalnej i kontrolowalnej bazy materiałowej dla konkurencyjności półprzewodników nowej generacji.
12-calowa płytka safirowa ZMSH i 12-calowa płytka SiC:
* Prosimy o kontakt z nami w przypadku jakichkolwiek problemów związanych z prawami autorskimi, a my niezwłocznie je rozwiążemy.