Przewidywania i wyzwania materiałów półprzewodnikowych piątej generacji
Półprzewodniki są kamieniem węgielnym ery informacji, a iteracja materiałów półprzewodnikowych bezpośrednio określa granice ludzkiego postępu technologicznego.Od półprzewodników na bazie krzemu pierwszej generacji do dzisiejszych materiałów ultra szerokopasmowych czwartej generacji, każda fala innowacji doprowadziła do szybkiego rozwoju w komunikacji, energetyce, informatyce i innych dziedzinach.
Analizując cechy i logikę zastępowania generacji czterech pokoleń materiałów półprzewodnikowych,Możemy wywnioskować możliwe kierunki dla półprzewodników piątej generacji i omówić przełomową ścieżkę Chin w tej dziedzinie.
I. Charakterystyka czterech pokoleń materiałów półprzewodnikowych i logika zastępowania pokoleń
Półprzewodniki pierwszej generacji:
"Era założenia" krzemu i germanium
-
Charakterystyka:Wykorzystując elementarne półprzewodniki, takie jak krzem (Si) i germanium (Ge), oferowały one takie zalety, jak niskie koszty, dojrzałe przetwarzanie i wysoka niezawodność.W tym celu należy zastosować następujące czynniki:: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), co powoduje słabą odporność na napięcie i niewystarczającą moc wysokiej częstotliwości.
-
Zastosowanie:Układy zintegrowane, ogniwa słoneczne, urządzenia niskiego napięcia i niskiej częstotliwości.
-
Powód zastąpienia:Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wysoką częstotliwość i wysoką temperaturę w komunikacji i optoelektroniki materiały na bazie krzemu nie mogły już spełniać wymogów.
Półprzewodniki drugiej generacji:
"Rewolucja optoelektroniczna" związanych półprzewodników
-
Charakterystyka:Reprezentowane przez półprzewodniki związkowe III-V, takie jak arsenek galiu (GaAs) ifosforek indyju (InP)Materiały te charakteryzują się szerszymi odstępami pasmowymi (GaAs: 1,42 eV) i wysoką mobilnością elektronów, dzięki czemu nadają się do zastosowań wysokiej częstotliwości i optoelektroniki.
-
Zastosowanie:Urządzenia 5G, lasery, łączność satelitarna.
-
Wyzwania:Niedobór materiałów (np. obfitość india wynosi tylko 0,001%) i wysokie koszty produkcji, z udziałem toksycznych pierwiastków (takich jak arsen).
-
Powód zastąpienia:Pojawienie się nowych urządzeń energetycznych i wysokonapięciowych wymagało jeszcze wyższej odporności na napięcie i wydajności, co doprowadziło do powstania materiałów o szerokim przepływie.
Półprzewodniki trzeciej generacji:
"Rewolucja energetyczna" materiałów o szerokim zasięgu
-
Charakterystyka:Materiały te, koncentrujące się wokół węglanu krzemu (SiC) i azotu galium (GaN), oferują znacznie szersze przepływy pasmowe (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), pola elektryczne o wysokim rozkładzie,wysoka przewodność cieplna, i wyższej wydajności wysokiej częstotliwości.
-
Zastosowanie:Systemy napędowe elektryczne w pojazdach nowej energii, falownikach fotowoltaicznych, stacjach bazowych 5G.
-
Zalety:W porównaniu z urządzeniami na bazie krzemu zmniejszają one zużycie energii o ponad 50%, a objętość urządzenia o 70%.
-
Powód zastąpienia:Wschodzące dziedziny, takie jak sztuczna inteligencja i obliczenia kwantowe, wymagały materiałów o jeszcze wyższej wydajności, co doprowadziło do pojawienia się materiałów o ultra szerokiej pasmowości.
Półprzewodniki czwartej generacji:
"Ekstremalne przełomowe osiągnięcie" w zakresie ultra szerokopasmowych materiałów
-
Charakterystyka:Reprezentujący:(Ga2O3) i diament (C), materiały te jeszcze bardziej rozszerzają przestrzeń (Ga2O3: 4,8 eV), oferując bardzo niską odporność przewodzenia, odporność na bardzo wysokie napięcie i znaczący potencjał redukcji kosztów.
-
Zastosowanie:Ultra wysokonapięciowe układy zasilania, detektory UV, urządzenia komunikacyjne kwantowe.
-
Przełom:Urządzenia z tlenkiem galiu mogą wytrzymać napięcia przekraczające 8000 V, a ich wydajność jest trzykrotna w porównaniu z urządzeniami SiC.
-
Logika zastąpienia:Ponieważ globalne zapotrzebowanie na moc obliczeniową i efektywność energetyczną zbliża się do granic fizycznych, nowe materiały muszą osiągnąć skoki wydajności w skali kwantowej.
II. Trend półprzewodników piątej generacji:
"Bliski plan" materiałów kwantowych i struktur dwuwymiarowych
Jeśli ewolucyjna ścieżka "rozszerzenia pasma + integracji funkcjonalnej" będzie kontynuowana, półprzewodniki piątej generacji mogą koncentrować się na następujących kierunkach:
Izolatory topologiczne:
Materiały przewodzące na powierzchni, ale izolujące wewnątrz,umożliwiające budowę urządzeń elektronicznych o zerowej straty energii i przezwyciężanie wąskiego gardła wytwarzania ciepła tradycyjnych półprzewodników.
Materiały dwuwymiarowe:
Materiały takie jak grafen i dysulfid molibdenu (MoS2), których grubość na poziomie atomowym umożliwia reakcję ultra wysokiej częstotliwości i potencjał elastycznej elektroniki.
Punkty kwantowe i kryształy fotoniczne:
Wykorzystanie efektów ograniczenia kwantowego do regulowania struktury pasma energetycznego, osiąganie wielofunkcyjnej integracji światła, energii elektrycznej i ciepła.
Bioręzdrówki:
Materiały samozmontowane na bazie DNA lub białek, zgodne zarówno z systemami biologicznymi, jak i obwodami elektronicznymi.
Główne siły napędowe:
Zniszczające wymagania technologiczne, takie jak sztuczna inteligencja, interfejs mózg-komputer i nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej,napędzają półprzewodniki w kierunku inteligentnej i biokompatybilnej evolucji.
III. Szanse Chin:
Od "podążania" do "biegania ramię w ramię"
Przełomy technologiczne i wdrożenie łańcucha przemysłowego
-
Półprzewodniki trzeciej generacji:
Chiny osiągnęły masową produkcję 8-calowych substratów SiC, a silniki SiC MOSFET klasy motoryzacyjnej zostały z powodzeniem wdrożone przez producentów samochodów, takich jak BYD.
-
Półprzewodniki czwartej generacji:
Instytucje takie jak Xi'an University of Posts and Telecommunications i CETC 46 Institute przełamały 8-calową technologię epitaksji tlenku galium, dołączając do szeregów wiodących graczy na świecie.
Wsparcie polityczne i kapitałowe
-
Krajowy "14. plan pięcioletni" określa półprzewodniki trzeciej generacji jako kluczowy obszar.
-
Rządy lokalne stworzyły fundusze przemysłowe o wartości setek miliardów juanów.
-
W rankingu Top 10 technologicznych osiągnięć w 2024 r. uznane zostały osiągnięcia takie jak urządzenia GaN o pojemności 6 ′′ 8 ′′ i tranzystory tlenku galiu, co wskazuje na przełomy w całym łańcuchu dostaw.
IV. Wyzwania i drogi do przełomu
Wąskie gardła techniczne
-
Przygotowanie materiału:
Wzrost wielkowymiarowych pojedynczych kryształów ma niskie wskaźniki wydajności (np. tlenek galiu jest podatny na pęknięcia) i kontrola wad jest niezwykle trudna.
-
Niezawodność urządzenia:
Standardy badań żywotności w warunkach wysokiej częstotliwości i wysokiego napięcia nie są jeszcze w pełni ustalone, a certyfikacje klasy motoryzacyjnej są długie.
Braki w łańcuchu przemysłowym
-
Zależność od importowanego sprzętu zaawansowanego:
Na przykład krajowa stopa produkcji pieców do wzrostu kryształów SiC wynosi poniżej 20%.
-
Słaby ekosystem zastosowań:
Przedsiębiorstwa działające w dalszym ciągu preferują importowane urządzenia; krajowe zastąpienie będzie wymagało wytycznych politycznych.
Strategiczne podejścia rozwojowe
-
Ja...Współpraca przemysłowo-uniwersytecko-badawcza:
Naucz się od takich modeli jak "Trzeciego Pokolenia Sojuszu Półprzewodników"," wspólne rozwiązywanie podstawowych technologii poprzez współpracę między uniwersytetami (takimi jak Zhejiang University Ningbo Institute of Technology) i przedsiębiorstwami.
-
Zróżnicowana konkurencja:
Koncentruj się na rynkach dodatkowych, takich jak nowa energia i komunikacja kwantowa, aby uniknąć bezpośredniej konfrontacji z tradycyjnymi gigantami przemysłu.
-
Uprawianie talentów:
Ustanowienie specjalnych funduszy, aby przyciągnąć najlepszych uczonych z zagranicy i promować rozwój dyscyplin takich jak "Chip Science and Engineering".
Od krzemu po tlenek galium, ewolucja półprzewodników to saga ludzkości, która podważa granice fizyki.
Jeśli Chiny będą mogły wykorzystać okazję czwartej generacji półprzewodników i pozycjonować się strategicznie na rynku materiałów piątej generacji,może osiągnąć "przejazd z zmiany pasa ruchu" w światowym wyścigu technologicznym.
Jak powiedział akademik Yang Deren: "Prawdziwa innowacja wymaga odwagi, by kroczyć niepotkanymi ścieżkami".
Na tej drodze rezonans polityki, kapitału i technologii określi przyszłość chińskiego przemysłu półprzewodnikowego i jego podróż w kierunku gwiazd i morza.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!