Predicción y desafíos de los materiales semiconductores de quinta generación
Los semiconductores son la piedra angular de la era de la información, y la iteración de sus materiales determina directamente los límites de la tecnología humana.Desde la primera generación de semiconductores basados en silicio hasta la actual cuarta generación de materiales de banda ancha ultra ancha, cada generación de innovación ha impulsado un desarrollo vertiginoso en campos como la comunicación, la energía y la informática.Al analizar las características de los materiales semiconductores de cuarta generación y la lógica del reemplazo generacional, se especulan las posibles direcciones de los semiconductores de quinta generación y, al mismo tiempo, se explora el camino de avance para China en este campo.
I. Características de los materiales semiconductores de cuarta generación y la lógica del reemplazo generacional
La "Era Fundamental" de la primera generación de semiconductores: silicio y germanio
Las características:Los semiconductores elementales representados por el silicio (Si) y el germanio (Ge) tienen las ventajas de un bajo coste, un proceso maduro y una alta fiabilidad.Las diferencias entre las dos bandas son limitadas por el ancho de banda relativamente estrecho (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), lo que resulta en una tensión de resistencia deficiente y un rendimiento de alta frecuencia insuficiente.
Aplicaciones:Circuitos integrados, células solares, dispositivos de bajo voltaje y baja frecuencia.
La razón del cambio de generación:Con la creciente demanda de rendimiento de alta frecuencia y alta temperatura en los campos de la comunicación y la optoelectrónica, los materiales a base de silicio son poco a poco incapaces de satisfacer las demandas.
Las obleas ópticas Windows & Si de ZMSH
Semiconductores de segunda generación: La "Revolución Optoelectrónica" de los semiconductores compuestos
Las características:Los compuestos del grupo III-V representados por el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP) presentan un ancho de banda mayor (GaAs: 1,42 eV), alta movilidad electrónica,y son adecuados para la conversión de alta frecuencia y fotoeléctrica.
Aplicaciones:Dispositivos de radiofrecuencia 5G, láseres, comunicaciones por satélite.
Los desafíos:La escasez de materiales (como las reservas de indio de sólo el 0,001%), los altos costes de preparación y la presencia de elementos tóxicos (como el arsénico).
La razón para el reemplazo generacional:Los nuevos equipos de energía y alta tensión han planteado mayores requisitos de resistencia y eficiencia a la tensión, lo que ha impulsado la aparición de materiales de banda ancha.
Las obleas GaAs y InP de ZMSH
Semiconductores de tercera generación: la "Revolución de la Energía" con banda ancha
Características:Con el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) como núcleo, el ancho de banda se aumenta significativamente (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), con un campo eléctrico de alta degradación,alta conductividad térmica y características de alta frecuencia.
Aplicaciones:Sistemas de accionamiento eléctrico para vehículos de nueva energía, inversores fotovoltaicos, estaciones base 5G.
Ventajas:El consumo de energía se reduce en más del 50% en comparación con los dispositivos basados en silicio, y el volumen se reduce en un 70%.
La razón para el reemplazo generacional:Los campos emergentes como la inteligencia artificial y la computación cuántica requieren materiales de mayor rendimiento para el soporte, y los materiales de banda ancha han surgido como lo requiere The Times.
Las obleas de SiC y GaN de ZMSH
Semiconductores de cuarta generación: el "avance extremo" de la banda ultra ancha
Las características:Representado por óxido de galio (Ga2O3) y diamante (C), el ancho de banda ha aumentado aún más (óxido de galio: 4,8 eV), con una resistencia de encendido ultrabaja y un voltaje de resistencia ultraalto,y con un enorme potencial de costo.
Aplicaciones:Chips de energía de ultraalta tensión, detectores ultravioleta profunda, dispositivos de comunicación cuántica.
Desarrollo:Los dispositivos de óxido de galio pueden soportar voltajes superiores a 8000V, y su eficiencia es tres veces mayor que la del SiC.
La lógica del reemplazo generacional:La búsqueda global de poder de computación y eficiencia energética se ha acercado al límite físico, y los nuevos materiales necesitan lograr saltos de rendimiento a escala cuántica.
Wafer Ga2O3 de ZMSH y GaN en Diamante
II. Tendencias en semiconductores de quinta generación: el "Plan de futuro" de materiales cuánticos y estructuras bidimensionales
Si la trayectoria evolutiva de "expansión de ancho de banda + integración funcional" continúa, los semiconductores de quinta generación pueden centrarse en las siguientes direcciones:
1) Aislador topológico:Con las características de conducción superficial y aislamiento interno, se puede utilizar para construir dispositivos electrónicos de energía cero,romper el cuello de botella de la generación de calor de los semiconductores tradicionales.
2) Materiales bidimensionales:El graphene y el disulfuro de molibdeno (MoS2), con espesor a nivel atómico, dotan de una respuesta de frecuencia ultra alta y un potencial de electrones flexible.
3) Puntos cuánticos y cristales fotónicos:Mediante la regulación de la estructura de la banda a través del efecto de confinamiento cuántico, se logra la integración multifuncional de luz, electricidad y calor.
4) Biosemiconductores:Materiales autoensamblados basados en ADN o proteínas, compatibles con sistemas biológicos y circuitos electrónicos.
5) Las fuerzas motrices centrales:La demanda de tecnologías disruptivas como la inteligencia artificial, las interfaces cerebro-computadora,y la superconductividad a temperatura ambiente está promoviendo la evolución de los semiconductores hacia la inteligencia y la biocompatibilidad.
Iii. Oportunidades para la industria de semiconductores de China: de "seguir" a "mantener el ritmo"
1) Los avances tecnológicos y la estructura de la cadena industrial
· Semiconductores de tercera generación:China ha logrado la producción en masa de sustratos de SiC de 8 pulgadas, y los MOSFET de SiC de grado automotriz se han aplicado con éxito en fabricantes de automóviles como BYD.
· Semiconductores de cuarta generación:La Universidad de Correos y Telecomunicaciones de Xi'an y el 46o Instituto de Investigación de China Electronics Technology Group Corporation han descubierto la tecnología epitaxial de óxido de galio de 8 pulgadas,Entrando en el primer escalón del mundo.
2) Apoyo político y de capital
· elEl 14o Plan Quinquenal del país ha enumerado los semiconductores de tercera generación como un enfoque clave, y los gobiernos locales han establecido fondos industriales por valor de más de 10 mil millones de yuanes.
· elEntre los diez mejores avances tecnológicos en 2024, se seleccionaron logros como dispositivos de nitruro de galio de 6-8 pulgadas y transistores de óxido de galio,Demostrando una tendencia de avance en toda la cadena industrial.
IV. Desafíos y el camino a través de la brecha
1) Cuello de botella técnico
· Preparación del material:El rendimiento del crecimiento de cristal único de gran tamaño es bajo (por ejemplo, el óxido de galio es propenso a la grieta), y la dificultad de control de defectos es alta.
· Confiabilidad del dispositivo:Los estándares de prueba de vida en alta frecuencia y alto voltaje aún no están completos, y el ciclo de certificación para dispositivos de grado automotriz es largo.
2) Deficiencias en la cadena industrial
· Los equipos de gama alta dependen de las importaciones:Por ejemplo, la tasa de producción nacional de hornos de crecimiento de cristal de carburo de silicio es inferior al 20%.
· Debilidad del ecosistema de aplicaciones:Las empresas de la cadena de producción inferior prefieren los componentes importados y la sustitución nacional requiere orientación política.
3) Desarrollo estratégico
1- Colaboración entre la industria y la universidad:Basándose en el modelo de "Alianza de Semiconductores de Tercera Generación",Nos uniremos con las universidades (como la Universidad de Zhejiang, el Instituto de Tecnología de Ningbo) y las empresas para abordar las tecnologías centrales..
2Competencia diferenciada:Se centrará en mercados incrementales como la nueva energía y la comunicación cuántica, y evitará una confrontación directa con los gigantes tradicionales.
3El cultivo del talento:Establecer un fondo especial para atraer a los mejores académicos extranjeros y promover la construcción de la disciplina de "Ciencia e Ingeniería de Chips".
Desde el silicio hasta el óxido de galio, la evolución de los semiconductores es una épica de la humanidad rompiendo los límites físicos.Si China puede aprovechar la ventana de oportunidad de los semiconductores de cuarta generación y hacer planes prospectivos para los materiales de quinta generaciónComo dijo el académico Yang Deren: "La verdadera innovación requiere el coraje de tomar caminos desconocidos." En este camino, la resonancia de la política, el capital y la tecnología determinará el vasto océano de la industria de semiconductores de China.
ZMSH, como proveedor en el sector de los materiales semiconductores,ha establecido una presencia integral en toda la cadena de suministro, desde las obleas de silicio/germanio de primera generación hasta las películas finas de óxido de galio y diamantes de cuarta generación.La empresa se centra en mejorar el rendimiento de producción en masa de componentes de semiconductores de tercera generación, como sustratos de carburo de silicio y obleas epitaxiales de nitruro de galio.Al mismo tiempo que avanza en sus reservas técnicas en preparación de cristales para materiales de banda ultra anchaAprovechando un sistema de I + D, crecimiento de cristales y procesamiento integrado verticalmente, ZMSH ofrece soluciones de materiales personalizadas para estaciones base 5G, dispositivos de energía de nueva energía y sistemas de láser UV.La empresa ha desarrollado una estructura de capacidad de producción graduada que va desde obleas de arseniuro de galio de 6 pulgadas hasta obleas de carburo de silicio de 12 pulgadas, contribuyendo activamente al objetivo estratégico de China de construir una base material autosuficiente y controlable para la competitividad de la próxima generación de semiconductores.
La oblea de zafiro de 12 pulgadas de ZMSH y la oblea de SiC de 12 pulgadas:
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