Pusvadītāji kalpo par informācijas laikmeta stūrakmeni, un katra materiāla iterācija no jauna definē cilvēces tehnoloģiju robežas. Sākot ar pirmās paaudzes silīcija bāzes pusvadītājiem un beidzot ar mūsdienu ceturtās paaudzes īpaši platas joslas materiāliem, katrs evolūcijas lēciens ir veicinājis transformējošus sasniegumus komunikācijās, enerģētikā un skaitļošanā. Analizējot esošo pusvadītāju materiālu īpašības un paaudžu pārejas loģiku, mēs varam paredzēt piektās paaudzes pusvadītāju potenciālos virzienus, vienlaikus izpētot Ķīnas stratēģiskos ceļus šajā konkurētspējīgajā arēnā.
I. Četru pusvadītāju paaudžu raksturojums un evolūcijas loģika
Pirmās paaudzes pusvadītāji: silīcija-germānija pamatu laikmets
Raksturojums: Elementārie pusvadītāji, piemēram, silīcijs (Si) un germānijs (Ge), piedāvā izmaksu efektivitāti un nobriedušus ražošanas procesus, tomēr tiem ir šauras joslas (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), ierobežojot sprieguma toleranci un augstfrekvences veiktspēju.
Pielietojums: Integrētās shēmas, saules baterijas, zemsprieguma/zemfrekvences ierīces.
Pārejas virzītājspēks: Pieaugošais pieprasījums pēc augstas frekvences/augstas temperatūras veiktspējas optoelektronikā apsteidza silīcija iespējas.
Otrās paaudzes pusvadītāji: III-V savienojumu revolūcija
Raksturojums: III-V savienojumiem, piemēram, gallija arsenīdam (GaAs) un indija fosfīdam (InP), ir platākas joslas (GaAs: 1,42 eV) un augsta elektronu mobilitāte RF un fotonu lietojumiem.
Pielietojums: 5G RF ierīces, lāzerdiodes, satelītu sakari.
Problēmas: materiālu trūkums (indija daudzums: 0,001%), toksiski elementi (arsēns) un augstas ražošanas izmaksas.
Pārejas virzītājspēks: enerģijas/jaudas lietojumprogrammām bija nepieciešami materiāli ar augstāku sabrukšanas spriegumu.
Trešās paaudzes pusvadītāji: plaša joslas spraugas enerģijas revolūcija
Raksturojums: Silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN) nodrošina joslas atstarpi >3eV (SiC:3,2eV; GaN:3,4eV), ar izcilu siltumvadītspēju un augstfrekvences raksturlielumiem.
Pielietojums: elektrotransportlīdzekļu spēka piedziņas, fotoelektrisko invertori, 5G infrastruktūra.
Priekšrocības: enerģijas ietaupījums par 50% un izmēra samazinājums par 70% salīdzinājumā ar silīciju.
Pārejas virzītājspēks: mākslīgajam intelektam/kvantu skaitļošanai nepieciešami materiāli ar ārkārtīgi augstiem veiktspējas rādītājiem.
Ceturtās paaudzes pusvadītāji: īpaši plata joslas sprauga
Raksturojums: Gallija oksīds (Ga₂O₃) un dimants (C) sasniedz joslas spraugu līdz 4,8 eV, apvienojot īpaši zemu ieslēgšanas pretestību ar kV klases sprieguma toleranci.
Pielietojumi: īpaši augsta sprieguma integrālās shēmas, dziļā UV detektori, kvantu komunikācija.
Izrāvieni: Ga₂O₃ ierīces iztur >8 kV, trīskāršojot SiC efektivitāti.
Evolucionārā loģika: Lai pārvarētu fiziskās robežas, ir nepieciešami kvantu mēroga veiktspējas lēcieni.
I. Piektās paaudzes pusvadītāju tendences: kvantu materiāli un 2D arhitektūras
Potenciālie attīstības vektori ietver:
1. Topoloģiskie izolatori: Virsmas vadītspēja ar tilpuma izolāciju nodrošina elektroniku bez zudumiem.
2. 2D materiāli: Grafēns/MoS₂ piedāvā THz frekvences raksturlīkni un elastīgu elektronikas saderību.
3. Kvantu punkti un fotoniskie kristāli: joslas spraugas inženierija nodrošina optoelektroniski termisku integrāciju.
4. Biopusvadītāji: uz DNS/olbaltumvielām balstīti pašsalikšanās materiāli savieno bioloģiju un elektroniku.
5. Galvenie virzītājspēki: mākslīgais intelekts, smadzeņu un datora saskarnes un istabas temperatūras supravadītspējas prasības.
II. Ķīnas pusvadītāju iespējas: no sekotāja līdz līderim
1. Tehnoloģiju sasniegumi
• 3. paaudze: 8 collu SiC substrātu masveida ražošana; automobiļu līmeņa SiC MOSFET tranzistori BYD transportlīdzekļos
• 4. paaudze: 8 collu Ga₂O₃ epitaksijas atklājumi, izmantojot XUPT un CETC46
2. Politikas atbalsts
• 14. piecu gadu plānā prioritāte tiek piešķirta 3. paaudzes pusvadītājiem
• Izveidoti provinces simts miljardu juaņu rūpniecības fondi
• 6–8 collu GaN ierīču un Ga₂O₃ tranzistori iekļauti 2024. gada 10 labāko tehnoloģiju sasniegumu sarakstā.
III. Izaicinājumi un stratēģiskie risinājumi
1. Tehniskas problēmas
• Kristālu augšana: Zema raža liela diametra kristāliem (piemēram, Ga₂O₃ krekings)
• Uzticamības standarti: trūkst noteiktu protokolu augstas jaudas/augstfrekvences novecošanās testiem
2. Piegādes ķēdes nepilnības
• Aprīkojums: <20 % vietējo iedzīvotāju SiC kristālu audzētājiem
• Pieņemšana: Priekšroka importētiem komponentiem lejupējā tirgū
3. Stratēģiskie ceļi
• Rūpniecības un akadēmisko aprindu sadarbība: veidota pēc “Trešās paaudzes pusvadītāju alianses” parauga
• Nišas fokuss: Prioritātes piešķiršana kvantu komunikācijām/jauniem enerģijas tirgiem
• Talantu attīstība: Izveidot akadēmiskās programmas “Čipu zinātne un inženierija”
No silīcija līdz Ga₂O₃, pusvadītāju evolūcija atspoguļo cilvēces triumfu pār fiziskajām robežām. Ķīnas iespēja slēpjas ceturtās paaudzes materiālu apgūšanā, vienlaikus ieviešot pionierus piektās paaudzes inovācijās. Kā atzīmēja akadēmiķis Jans Derens: "Patiesai inovācijai ir jāmeklē nebijuši ceļi." Politikas, kapitāla un tehnoloģiju sinerģija noteiks Ķīnas pusvadītāju likteni.
XKH ir kļuvis par vertikāli integrētu risinājumu sniedzēju, kas specializējas progresīvos pusvadītāju materiālos vairākās tehnoloģiju paaudzēs. Ar pamatkompetencēm, kas aptver kristālu audzēšanu, precīzu apstrādi un funkcionālo pārklājumu tehnoloģijas, XKH piegādā augstas veiktspējas substrātus un epitaksiālās plāksnes vismodernākajām lietojumprogrammām jaudas elektronikā, RF sakaros un optoelektroniskajās sistēmās. Mūsu ražošanas ekosistēma ietver patentētus procesus 4–8 collu silīcija karbīda un gallija nitrīda plākšņu ražošanai ar nozarē vadošo defektu kontroli, vienlaikus saglabājot aktīvas pētniecības un attīstības programmas jaunajos īpaši platās joslas materiālos, tostarp gallija oksīdā un dimanta pusvadītājos. Stratēģiski sadarbojoties ar vadošajām pētniecības iestādēm un iekārtu ražotājiem, XKH ir izstrādājis elastīgu ražošanas platformu, kas spēj atbalstīt gan standartizētu produktu liela apjoma ražošanu, gan pielāgotu materiālu risinājumu specializētu izstrādi. XKH tehniskā pieredze ir vērsta uz kritisku nozares problēmu risināšanu, piemēram, plākšņu vienmērīguma uzlabošanu jaudas ierīcēm, termiskās pārvaldības uzlabošanu RF lietojumprogrammās un jaunu heterostruktūru izstrādi nākamās paaudzes fotoniskām ierīcēm. Apvienojot progresīvu materiālzinātni ar precīzās inženierijas iespējām, XKH ļauj klientiem pārvarēt veiktspējas ierobežojumus augstfrekvences, lielas jaudas un ekstremālu vides lietojumos, vienlaikus atbalstot vietējās pusvadītāju nozares pāreju uz lielāku piegādes ķēdes neatkarību.
Šie ir XKH 12 collu safīra vafeļu un 12 collu SiC substrāti:
Publicēšanas laiks: 2025. gada 6. jūnijs