Polprevodniki so temelj informacijske dobe, pri čemer vsaka iteracija materiala na novo opredeljuje meje človeške tehnologije. Od polprevodnikov na osnovi silicija prve generacije do današnjih materialov z ultraširokopasovno vrzeljo četrte generacije je vsak evolucijski preskok spodbudil transformativen napredek v komunikacijah, energetiki in računalništvu. Z analizo značilnosti in logike generacijskega prehoda obstoječih polprevodniških materialov lahko napovemo potencialne smeri za polprevodnike pete generacije, hkrati pa raziščemo strateške poti Kitajske na tem konkurenčnem področju.
I. Značilnosti in evolucijska logika štirih generacij polprevodnikov
Polprevodniki prve generacije: obdobje silicijevega in germanijevega temelja
Značilnosti: Elementarni polprevodniki, kot sta silicij (Si) in germanij (Ge), ponujajo stroškovno učinkovitost in zrele proizvodne procese, vendar imajo ozke pasovne prepustnosti (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), kar omejuje toleranco napetosti in visokofrekvenčno delovanje.
Uporaba: Integrirana vezja, sončne celice, nizkonapetostne/nizkofrekvenčne naprave.
Gonilo prehoda: Naraščajoče povpraševanje po visokofrekvenčni/visokotemperaturni zmogljivosti v optoelektroniki je preseglo zmogljivosti silicija.
Polprevodniki druge generacije: revolucija spojin III-V
Značilnosti: Spojine III-V, kot sta galijev arzenid (GaAs) in indijev fosfid (InP), imajo širše pasovne prepustne pasove (GaAs: 1,42 eV) in visoko mobilnost elektronov za radiofrekvenčne in fotonske aplikacije.
Uporaba: 5G RF naprave, laserske diode, satelitske komunikacije.
Izzivi: Pomanjkanje materialov (količina indija: 0,001 %), strupeni elementi (arzen) in visoki proizvodni stroški.
Gonilnik prehoda: Energijske/močavske aplikacije so zahtevale materiale z višjimi prebojnimi napetostmi.
Polprevodniki tretje generacije: energijska revolucija s širokim pasovnim razmikom
Značilnosti: Silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN) zagotavljata prepustne pasove > 3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV), z vrhunsko toplotno prevodnostjo in visokofrekvenčnimi lastnostmi.
Uporaba: pogonski sklopi za električna vozila, fotonapetostni razsmerniki, infrastruktura 5G.
Prednosti: 50 %+ prihranek energije in 70 % zmanjšanje velikosti v primerjavi s silicijem.
Gonilo prehoda: Umetna inteligenca/kvantno računalništvo zahteva materiale z izjemnimi merili zmogljivosti.
Polprevodniki četrte generacije: meja ultra širokega pasovnega razmika
Značilnosti: Galijev oksid (Ga₂O₃) in diamant (C) dosežeta pasovne prepustnosti do 4,8 eV, kar združuje izjemno nizko upornost vklopa s toleranco napetosti razreda kV.
Uporaba: Ultra-visokonapetostna integrirana vezja, detektorji globokega UV-sevanja, kvantna komunikacija.
Preboji: Naprave Ga₂O₃ prenesejo >8 kV, kar potroji učinkovitost SiC.
Evolucijska logika: Za premagovanje fizičnih omejitev so potrebni skoki v zmogljivosti na kvantni ravni.
I. Trendi polprevodnikov pete generacije: kvantni materiali in 2D arhitekture
Potencialni vektorji razvoja vključujejo:
1. Topološki izolatorji: Površinska prevodnost z izolacijo v razsutem stanju omogoča elektroniko brez izgub.
2. 2D materiali: Grafen/MoS₂ ponujata odziv THz frekvence in prilagodljivo združljivost z elektroniko.
3. Kvantne pike in fotonski kristali: Inženiring pasovne reže omogoča optoelektronsko-termično integracijo.
4. Biopolprevodniki: samosestavljajoči se materiali na osnovi DNK/beljakovin povezujejo biologijo in elektroniko.
5. Ključni dejavniki: umetna inteligenca, vmesniki med možgani in računalnikom ter zahteve po superprevodnosti pri sobni temperaturi.
II. Priložnosti Kitajske na področju polprevodnikov: od sledilca do vodje
1. Tehnološki preboji
• 3. generacija: Masovna proizvodnja 8-palčnih SiC substratov; SiC MOSFET-i avtomobilskega razreda v vozilih BYD
• 4. generacija: preboji 8-palčne epitaksije Ga₂O₃, ki sta jih izvedla XUPT in CETC46
2. Podpora politiki
• 14. petletni načrt daje prednost polprevodnikom tretje generacije
• Ustanovljeni provincialni industrijski skladi v vrednosti sto milijard juanov
• Mejniki 6-8-palčne GaN naprave in tranzistorji Ga₂O₃ so bili uvrščeni med 10 najboljših tehnoloških dosežkov leta 2024
III. Izzivi in strateške rešitve
1. Tehnična ozka grla
• Rast kristalov: Nizek izkoristek za kroglice velikega premera (npr. razpokanje Ga₂O₃)
• Standardi zanesljivosti: Pomanjkanje ustaljenih protokolov za teste staranja pri visoki moči/visoki frekvenci
2. Vrzeli v dobavni verigi
• Oprema: <20 % domače vsebnosti za pridelovalce kristalov SiC
• Sprejetje: Nadaljnja uporaba daje prednost uvoženim komponentam
3. Strateške poti
• Sodelovanje med industrijo in akademskimi krogi: po vzoru »Zavezništva za polprevodnike tretje generacije«
• Nišni fokus: Prednost kvantnim komunikacijam/novim energetskim trgom
• Razvoj talentov: Vzpostavitev akademskih programov »Znanost in inženirstvo čipov«
Od silicija do Ga₂O₃, evolucija polprevodnikov kronološko prikazuje zmago človeštva nad fizičnimi mejami. Kitajska priložnost je v obvladovanju materialov četrte generacije, hkrati pa je pionir inovacij pete generacije. Kot je ugotovil akademik Yang Deren: »Prave inovacije zahtevajo kovanje neprehojenih poti.« Sinergija politike, kapitala in tehnologije bo določila usodo Kitajske na področju polprevodnikov.
XKH se je uveljavil kot vertikalno integriran ponudnik rešitev, specializiran za napredne polprevodniške materiale v več tehnoloških generacijah. Z osrednjimi kompetencami, ki segajo na rast kristalov, natančno obdelavo in tehnologije funkcionalnih premazov, XKH dobavlja visokozmogljive substrate in epitaksialne rezine za najsodobnejše aplikacije v močnostni elektroniki, radiofrekvenčnih komunikacijah in optoelektronskih sistemih. Naš proizvodni ekosistem zajema lastniške procese za proizvodnjo 4-8-palčnih rezin silicijevega karbida in galijevega nitrida z vodilnim nadzorom napak v industriji, hkrati pa ohranja aktivne programe raziskav in razvoja na področju novih materialov z ultra širokim pasovnim razmikom, vključno z galijevim oksidom in diamantnimi polprevodniki. S strateškim sodelovanjem z vodilnimi raziskovalnimi ustanovami in proizvajalci opreme je XKH razvil prilagodljivo proizvodno platformo, ki lahko podpira tako obsežno proizvodnjo standardiziranih izdelkov kot specializiran razvoj prilagojenih materialnih rešitev. Tehnično znanje XKH se osredotoča na reševanje kritičnih industrijskih izzivov, kot so izboljšanje enakomernosti rezin za močnostne naprave, izboljšanje toplotnega upravljanja v radiofrekvenčnih aplikacijah in razvoj novih heterostruktur za fotonske naprave naslednje generacije. Z združevanjem napredne znanosti o materialih in zmogljivosti preciznega inženirstva XKH strankam omogoča premagovanje omejitev zmogljivosti pri visokofrekvenčnih, visokoenergijskih in ekstremnih okoljskih aplikacijah, hkrati pa podpira prehod domače polprevodniške industrije k večji neodvisnosti dobavne verige.
Sledijo 12-palčni safirni rezini in 12-palčni SiC substrat podjetja XKH:
Čas objave: 6. junij 2025