Полупроводники служат краеугольным камнем информационной эпохи, и каждое новое поколение материала переопределяет границы человеческих технологий. От кремниевых полупроводников первого поколения до современных сверхширокозонных материалов четвёртого поколения, каждый эволюционный скачок приводил к революционным достижениям в области связи, энергетики и вычислительной техники. Анализируя характеристики и логику смены поколений существующих полупроводниковых материалов, мы можем предсказать потенциальные направления развития полупроводников пятого поколения, одновременно исследуя стратегические пути Китая в этой конкурентной сфере.
I. Характеристики и логика эволюции четырех поколений полупроводников
Полупроводники первого поколения: эпоха кремниево-германиевого фундамента
Характеристики: Элементарные полупроводники, такие как кремний (Si) и германий (Ge), экономичны и характеризуются отлаженными производственными процессами, однако имеют узкую запрещенную зону (Si: 1,12 эВ; Ge: 0,67 эВ), что ограничивает допустимую нагрузку по напряжению и высокочастотные характеристики.
Применение: Интегральные схемы, солнечные элементы, низковольтные/низкочастотные устройства.
Фактор перехода: растущий спрос на высокочастотные/высокотемпературные характеристики в оптоэлектронике опережает возможности кремния.
Полупроводники второго поколения: революция в области соединений III-V
Характеристики: Соединения III-V, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), характеризуются более широкой запрещенной зоной (GaAs: 1,42 эВ) и высокой подвижностью электронов для СВЧ- и фотонных применений.
Области применения: радиочастотные устройства 5G, лазерные диоды, спутниковая связь.
Проблемы: дефицит материала (содержание индия: 0,001%), токсичные элементы (мышьяк) и высокие издержки производства.
Драйвер перехода: Энергетические/электрические приложения требуют материалов с более высоким пробивным напряжением.
Полупроводники третьего поколения: революция в области широкозонной энергетики
Характеристики: Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) обеспечивают ширину запрещенной зоны >3 эВ (SiC: 3,2 эВ; GaN: 3,4 эВ) с превосходной теплопроводностью и высокочастотными характеристиками.
Области применения: силовые агрегаты электромобилей, фотоэлектрические инверторы, инфраструктура 5G.
Преимущества: экономия энергии более 50% и уменьшение размеров на 70% по сравнению с кремнием.
Драйвер перехода: ИИ/квантовые вычисления требуют материалов с экстремальными показателями производительности.
Полупроводники четвертого поколения: сверхширокая запрещенная зона
Характеристики: оксид галлия (Ga₂O₃) и алмаз (C) обеспечивают ширину запрещенной зоны до 4,8 эВ, сочетая сверхнизкое сопротивление в открытом состоянии с допустимой нагрузкой по напряжению в диапазоне киловольт.
Области применения: сверхвысоковольтные ИС, детекторы глубокого УФ-излучения, квантовая связь.
Прорывы: устройства Ga₂O₃ выдерживают напряжение >8 кВ, что в три раза увеличивает эффективность SiC.
Эволюционная логика: Для преодоления физических ограничений необходимы квантовые скачки производительности.
I. Тенденции развития полупроводников пятого поколения: квантовые материалы и двумерная архитектура
Потенциальные векторы развития включают в себя:
1. Топологические изоляторы: поверхностная проводимость с объемной изоляцией позволяет создавать электронику с нулевыми потерями.
2. 2D-материалы: Графен/MoS₂ обеспечивают частотный диапазон в терагерцовом диапазоне и гибкую совместимость с электроникой.
3. Квантовые точки и фотонные кристаллы: Технология запрещенной зоны обеспечивает оптоэлектронную и тепловую интеграцию.
4. Биополупроводники: самоорганизующиеся материалы на основе ДНК/белка объединяют биологию и электронику.
5. Ключевые драйверы: ИИ, интерфейсы «мозг-компьютер» и потребность в сверхпроводимости при комнатной температуре.
II. Возможности полупроводниковой промышленности Китая: от последователя к лидеру
1. Технологические прорывы
• 3-е поколение: массовое производство 8-дюймовых SiC-подложек; SiC MOSFET автомобильного класса в автомобилях BYD
• 4-е поколение: прорыв в области эпитаксии Ga₂O₃ толщиной 8 дюймов от XUPT и CETC46
2. Поддержка политики
• 14-й пятилетний план отдает приоритет полупроводникам третьего поколения
• Созданы провинциальные промышленные фонды в размере ста миллиардов юаней
• Важные этапы развития 6-8-дюймовых GaN-устройств и транзисторов Ga₂O₃ вошли в десятку лучших технологических достижений 2024 года
III. Проблемы и стратегические решения
1. Технические узкие места
• Рост кристаллов: низкий выход для булей большого диаметра (например, расщепление Ga₂O₃)
• Стандарты надежности: отсутствие установленных протоколов для испытаний на старение при высокой мощности/высокой частоте
2. Пробелы в цепочке поставок
• Оборудование: <20% отечественного производства для производителей кристаллов SiC
• Принятие: предпочтение импортным компонентам на последующих этапах
3. Стратегические пути
• Сотрудничество между промышленностью и академическими кругами: по образцу «Альянса полупроводников третьего поколения»
• Фокус на нише: отдать приоритет квантовым коммуникациям/новым энергетическим рынкам
• Развитие талантов: создание академических программ «Наука и инженерия микросхем»
От кремния до Ga₂O₃: эволюция полупроводников знаменует собой триумф человечества над физическими ограничениями. Возможности Китая заключаются в освоении материалов четвёртого поколения и одновременном создании инноваций пятого поколения. Как заметил академик Ян Дэрэнь: «Настоящие инновации требуют прокладывания неизведанных путей». Синергия политики, капитала и технологий определит судьбу полупроводников Китая.
Компания XKH стала вертикально интегрированным поставщиком решений, специализирующимся на передовых полупроводниковых материалах, охватывающих различные технологические поколения. Обладая основными компетенциями, охватывающими выращивание кристаллов, прецизионную обработку и технологии нанесения функциональных покрытий, XKH поставляет высокопроизводительные подложки и эпитаксиальные пластины для передовых приложений в силовой электронике, радиочастотной связи и оптоэлектронных системах. Наша производственная экосистема охватывает запатентованные процессы производства пластин карбида кремния и нитрида галлия размером 4–8 дюймов с ведущим в отрасли контролем дефектов, а также поддерживает активные программы НИОКР в области новых материалов со сверхширокой запрещенной зоной, включая полупроводники на основе оксида галлия и алмаза. Благодаря стратегическому сотрудничеству с ведущими научно-исследовательскими институтами и производителями оборудования, XKH разработала гибкую производственную платформу, способную поддерживать как крупносерийное производство стандартизированной продукции, так и специализированную разработку индивидуальных решений в области материалов. Технический опыт XKH сосредоточен на решении важнейших отраслевых задач, таких как повышение однородности пластин для силовых устройств, улучшение терморегулирования в радиочастотных приложениях и разработка новых гетероструктур для фотонных устройств следующего поколения. Объединяя передовые технологии материаловедения с возможностями точного машиностроения, XKH позволяет заказчикам преодолевать ограничения производительности в высокочастотных, мощных и экстремальных условиях эксплуатации, одновременно поддерживая переход отечественной полупроводниковой промышленности к большей независимости в цепочке поставок.
Ниже приведены 12-дюймовая сапфировая пластина и 12-дюймовая подложка SiC компании XKH:
Время публикации: 06 июня 2025 г.