Voorspellingen en uitdagingen van halfgeleidermaterialen van de vijfde generatie
April 29, 2025
Voorspellingen en uitdagingen van halfgeleidermaterialen van de vijfde generatie
Halvegeleiders zijn de hoeksteen van het informatietijdperk, en de iteratie van halfgeleidermaterialen bepaalt rechtstreeks de grenzen van menselijke technologische vooruitgang.Van de eerste generatie op silicium gebaseerde halfgeleiders tot de huidige vierde generatie ultrabreedbandmateriaal, heeft elke golf van innovatie een sprong in de ontwikkeling op het gebied van communicatie, energie, informatica en andere gebieden opgeleverd.
Door de kenmerken en generatievervangingslogicen van vier generaties halfgeleidermaterialen te analyseren,we kunnen de mogelijke richtingen voor de vijfde generatie halfgeleiders afleiden en bespreken China's doorbraak pad in dit domein.
I. Kenmerken van vier generaties halfgeleidermaterialen en generatievervangingslogic
Eerste generatie halfgeleiders:
Het "grondleggende tijdperk" van silicium en germanium
-
Gewoonlijk:Deze elementen, zoals silicium (Si) en germanium (Ge), bieden voordelen zoals lage kosten, volwassen verwerking en hoge betrouwbaarheid.Deze waren beperkt door relatief smalle bandgapingen (SiGe: 0,67 eV), wat resulteert in een slechte spanningsweerstand en onvoldoende hoogfrequente prestaties.
-
Toepassingen:Geïntegreerde schakelingen, zonnecellen, laagspannings- en laagfrequente apparaten.
-
Reden voor vervanging:Naarmate de vraag naar hoogfrequente en hoogtemperatuurprestaties in de communicatie en opto-elektronica groeide, konden op silicium gebaseerde materialen niet langer aan de eisen voldoen.
Halve-geleiders van de tweede generatie:
De "opto-elektronische revolutie" van samengestelde halfgeleiders
-
Gewoonlijk:Voorgesteld door III-V samengestelde halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs) enIndiumfosfide (InP), deze materialen hebben bredere bandbreedten (GaAs: 1,42 eV) en een hoge elektronenmobiliteit, waardoor ze geschikt zijn voor hoogfrequente en opto-elektronische toepassingen.
-
Toepassingen:5G RF apparaten, lasers, satellietcommunicatie.
-
Uitdagingen:Tekort aan materialen (bijvoorbeeld indium is slechts 0,001%) en hoge productiekosten, waarbij giftige elementen (zoals arseen) betrokken zijn.
-
Reden voor vervanging:De opkomst van nieuwe energie- en hoogspanningsapparatuur vereiste nog hogere spanningsweerstand en efficiëntie, wat leidde tot de opkomst van brede bandgapmaterialen.
Halve-geleiders van de derde generatie:
De "energie-revolutie" van breedbandmateriaal
-
Gewoonlijk:Gecentreerd rond siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), bieden deze materialen aanzienlijk bredere bandgap (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), elektrische velden met een hoge afbraak,hoge warmtegeleidbaarheid, en superieure hoge-frequentie prestaties.
-
Toepassingen:Elektrische aandrijfsystemen in nieuwe energievoertuigen, fotovoltaïsche omvormers, 5G-basisstations.
-
Voordelen:In vergelijking met silicium-apparaten verminderen ze het energieverbruik met meer dan 50% en krimpen het apparaatvolume met 70%.
-
Reden voor vervanging:Opkomende velden zoals kunstmatige intelligentie en quantumcomputing eisten materialen met nog hogere prestaties, wat leidde tot de opkomst van ultrabreedbandmateriaal.
Vierde generatie halfgeleiders:
De "extreme doorbraak" van ultrabreedbandmateriaal
-
Gewoonlijk:Vertegenwoordigd
(Ga2O3) en diamant (C), deze materialen verlengen de bandgap verder (Ga2O3: 4,8 eV), en bieden een ultralage geleidingsvermogen, een ultrahoge spanningsweerstand en een aanzienlijk kostenreductiepotentieel.
-
Toepassingen:Ultra-hoge spanning power chips, diepe UV detectoren, quantum communicatie apparaten.
-
Doorbraken:Gallium-oxide-apparaten kunnen spanningen van meer dan 8000 V weerstaan, met een verdrievoudiging van het rendement in vergelijking met SiC-apparaten.
-
Vervangingslogic:Aangezien de wereldwijde vraag naar rekenkracht en energie-efficiëntie fysieke grenzen nadert, moeten nieuwe materialen prestaties op kwantumschaal bereiken.
II. Trends voor halfgeleiders van de vijfde generatie:
De "toekomstige blauwdruk" van kwantummaterialen en tweedimensionale structuren
Als het evolutionaire pad van "uitbreiding van de bandgap + functionele integratie" doorgaat, kunnen halfgeleiders van de vijfde generatie zich richten op de volgende richtingen:
Topologische isolatoren:
Materialen die aan het oppervlak geleidend zijn, maar van binnenuit isoleren,het mogelijk maken van de bouw van elektronische apparaten met een energieverlies van nul en het overwinnen van de knelpunten bij de warmteopwekking van traditionele halfgeleiders.
Tweedimensionale materialen:
Materialen zoals grafeen en molybdeendisulfide (MoS2), waarvan de dikte op atoomniveau een ultra-hoge frequentie-respons mogelijk maakt en mogelijkheden biedt voor flexibele elektronica.
Quantumpunten en fotonische kristallen:
Met behulp van quantum confinement effecten om de energieband structuur te reguleren, het bereiken van multifunctionele integratie van licht, elektriciteit en warmte.
Biologische halfgeleiders:
Zelfmontagebare materialen op basis van DNA of eiwitten, compatibel met zowel biologische systemen als elektronische circuits.
Kerndrijvende krachten:
Disruptieve technologische eisen, zoals kunstmatige intelligentie, hersen-computer-interfaces en supergeleiding bij kamertemperatuur,zijn de voortstuwing van halfgeleiders naar intelligente en bio-compatibele evolutie.
III. De kansen van China:
Van 'volgen' naar 'naast elkaar rennen'
Technologische doorbraken en de invoering van de industriële keten
-
Halve-geleiders van de derde generatie:
China heeft de massaproductie van 8-inch SiC-substraten bereikt, waarbij auto-grade SiC-MOSFET's met succes zijn ingezet door autofabrikanten zoals BYD.
-
Vierde generatie halfgeleiders:
Instituties als de Xi'an Universiteit voor Post en Telecommunicatie en het CETC 46 Instituut hebben doorbroken met de 8-inch gallium-oxide-epitaxetechnologie en zijn lid geworden van de rangen van's werelds toonaangevende spelers.
Beleids- en kapitaalsteun
-
In het nationale "14e vijfjarenplan" worden halfgeleiders van de derde generatie als een belangrijk gebied aangeduid.
-
Lokale overheden hebben industriefondsen opgezet ter waarde van honderden miljarden yuan.
-
In de Top 10 Technologische Vooruitgang van 2024 werden prestaties zoals 6 ′′ 8 inch GaN-apparaten en gallium-oxide-transistors erkend, wat wijst op volledige doorbraken in de toeleveringsketen.
IV. Uitdagingen en weg naar doorbraak
Technische knelpunten
-
Voorbereiding van het materiaal:
De groei van enkelkristallen met een grote diameter heeft een lage opbrengst (bijvoorbeeld galliumoxide is gevoelig voor kraken) en de controle van defecten is uiterst uitdagend. -
Betrouwbaarheid van het apparaat:
Normen voor levensduurtesten onder hoge frequentie- en hoogspanningsomstandigheden zijn nog niet volledig vastgesteld, en certificeringen voor automobielproducten zijn langdurig.
Tekortkomingen in de industrie keten
-
Afhankelijkheid van geïmporteerde hoogwaardige apparatuur:
Zo zijn de binnenlandse producties van SiC-kristalgroeioovens lager dan 20%. -
Zwakke toepassingsecosysteem:
Ondernemingen in de downstreamsector geven nog steeds de voorkeur aan geïmporteerde apparaten; de binnenlandse vervanging zal beleidsrichtsnoeren vereisen.
Strategische ontwikkelingsbenaderingen
-
Ik...De Commissie heeft de Commissie verzocht de volgende maatregelen te treffen:
Leer van modellen als de "Third-Generation Semiconductor Alliance"," gezamenlijke aanpak van kerntechnologieën door samenwerking tussen universiteiten (zoals de Zhejiang University Ningbo Institute of Technology) en ondernemingen. -
Gedifferentieerde concurrentie:
Concentreer je op incrementele markten zoals nieuwe energie en kwantumcommunicatie om een directe confrontatie met traditionele industriegiganten te vermijden. -
Talent Cultivatie:
Het opzetten van speciale fondsen om topwetenschappers uit het buitenland aan te trekken en de ontwikkeling van disciplines zoals "Chip Science and Engineering" te bevorderen.
Van silicium tot gallioxide, de evolutie van halfgeleiders is een saga van de mensheid die de grenzen van de fysica uitdaagt.
Als China de kans grijpt van de vierde generatie halfgeleiders en zich strategisch kan positioneren voor de vijfde generatie materialen,Het is mogelijk dat het in de wereldwijde technologische wedstrijd een "baanwissel-overrijden" bereikt..
Zoals academici Yang Deren zei: "Echte innovatie vereist de moed om onbenutte paden te bewandelen".
Op deze weg zal de resonantie van beleid, kapitaal en technologie de toekomst van de Chinese halfgeleiderindustrie en haar reis naar de sterren en de zee bepalen.