Полупроводниците служат като крайъгълен камък на информационната ера, като всяка итерация на материала предефинира границите на човешките технологии. От първо поколение силициеви полупроводници до днешните ултраширокозонови материали от четвърто поколение, всеки еволюционен скок е довел до трансформативни подобрения в комуникациите, енергетиката и изчислителната техника. Чрез анализ на характеристиките и логиката на прехода между поколенията на съществуващите полупроводникови материали, можем да предвидим потенциалните насоки за полупроводниците от пето поколение, като същевременно изследваме стратегическите пътища на Китай в тази конкурентна сфера.
I. Характеристики и еволюционна логика на четири поколения полупроводници
Полупроводници от първо поколение: Ерата на силициево-германиевата основа
Характеристики: Елементарните полупроводници като силиций (Si) и германий (Ge) предлагат рентабилност и зрели производствени процеси, но страдат от тесни забранени зони (Si: 1.12 eV; Ge: 0.67 eV), което ограничава толеранса на напрежение и високочестотните характеристики.
Приложения: Интегрални схеми, слънчеви клетки, устройства за ниско напрежение/ниска честота.
Двигател на прехода: Нарастващото търсене на високочестотни/високотемпературни характеристики в оптоелектрониката изпревари възможностите на силиция.
Полупроводници от второ поколение: Революцията на III-V съединенията
Характеристики: Съединенията III-V като галиев арсенид (GaAs) и индиев фосфид (InP) се характеризират с по-широки забранени зони (GaAs: 1.42 eV) и висока електронна мобилност за радиочестотни и фотонни приложения.
Приложения: 5G RF устройства, лазерни диоди, сателитни комуникации.
Предизвикателства: Недостиг на материали (изобилие на индий: 0,001%), токсични елементи (арсен) и високи производствени разходи.
Драйвер на прехода: Енергийните/мощностни приложения изискват материали с по-високи пробивни напрежения.
Полупроводници от трето поколение: Революция в енергетиката с широка забранена зона
Характеристики: Силициевият карбид (SiC) и галиевият нитрид (GaN) осигуряват ширина на забранената зона >3eV (SiC: 3.2eV; GaN: 3.4eV), с превъзходна топлопроводимост и високочестотни характеристики.
Приложения: Задвижвания за електрически превозни средства, фотоволтаични инвертори, 5G инфраструктура.
Предимства: 50%+ икономия на енергия и 70% намаляване на размера в сравнение със силиций.
Двигател на прехода: Изкуственият интелект/квантовите изчисления изискват материали с екстремни показатели за производителност.
Полупроводници от четвърто поколение: Ултраширока граница на забранената зона
Характеристики: Галиевият оксид (Ga₂O₃) и диамантът (C) постигат ширина на забранената зона до 4.8eV, съчетавайки ултраниско съпротивление във включено състояние с толеранс на напрежение от клас kV.
Приложения: Интегрални схеми за свръхвисоко напрежение, детектори за дълбоки ултравиолетови лъчи, квантова комуникация.
Пробиви: Устройствата Ga₂O₃ издържат >8kV, утроявайки ефективността на SiC.
Еволюционна логика: Необходими са скокове в производителността от квантов мащаб, за да се преодолеят физическите ограничения.
I. Тенденции в полупроводниците от пето поколение: квантови материали и двуизмерни архитектури
Потенциалните вектори на развитие включват:
1. Топологични изолатори: Повърхностната проводимост с обемна изолация позволява електроника с нулеви загуби.
2. 2D материали: Графенът/MoS₂ предлагат THz-честотна характеристика и гъвкава съвместимост с електрониката.
3. Квантови точки и фотонни кристали: Инженерството на забранената зона позволява оптоелектронно-термична интеграция.
4. Биополупроводници: самосглобяващи се материали на базата на ДНК/протеини, свързващи биологията и електрониката.
5. Ключови двигатели: Изкуствен интелект, интерфейси мозък-компютър и изисквания за свръхпроводимост при стайна температура.
II. Възможности на Китай в полупроводниковия сектор: от последовател до лидер
1. Технологични пробиви
• 3-то поколение: Масово производство на 8-инчови SiC подложки; автомобилни SiC MOSFET-и в автомобили BYD
• 4-то поколение: 8-инчови пробиви в епитаксията на Ga₂O₃ от XUPT и CETC46
2. Подкрепа за политиките
• 14-ият петгодишен план дава приоритет на полупроводниците от трето поколение
• Създадени са провинциални индустриални фондове на стойност сто милиарда юана
• 6-8-инчови GaN устройства и Ga₂O₃ транзистори, включени в списъка на 10-те най-добри технологични постижения през 2024 г.
III. Предизвикателства и стратегически решения
1. Технически пречки
• Растеж на кристали: Нисък добив за кристали с голям диаметър (напр. крекинг на Ga₂O₃)
• Стандарти за надеждност: Липса на установени протоколи за тестове за стареене при висока мощност/висока честота
2. Пропуски във веригата за доставки
• Оборудване: <20% местно съдържание за производители на SiC кристали
• Приемане: Предпочитание надолу по веригата за вносни компоненти
3. Стратегически пътища
• Сътрудничество между индустрията и академичните среди: Моделирано по подобие на „Алианса за полупроводници от трето поколение“
• Фокус върху нишата: Приоритизиране на квантовите комуникации/новите енергийни пазари
• Развитие на таланти: Създаване на академични програми „Чипова наука и инженерство“
От силиций до Ga₂O₃, еволюцията на полупроводниците е хроника на триумфа на човечеството над физическите ограничения. Възможността на Китай се крие в овладяването на материалите от четвърто поколение, като същевременно е пионер в иновациите от пето поколение. Както отбелязва академик Ян Дерен: „Истинските иновации изискват проправяне на неизминати пътища.“ Синергията на политиката, капитала и технологиите ще определи съдбата на Китай в областта на полупроводниците.
XKH се утвърди като вертикално интегриран доставчик на решения, специализиран в усъвършенствани полупроводникови материали в множество технологични поколения. С основни компетенции, обхващащи растеж на кристали, прецизна обработка и технологии за функционални покрития, XKH доставя високопроизводителни субстрати и епитаксиални пластини за авангардни приложения в силовата електроника, радиочестотните комуникации и оптоелектронните системи. Нашата производствена екосистема обхваща патентовани процеси за производство на 4-8-инчови пластини от силициев карбид и галиев нитрид с водещ в индустрията контрол на дефектите, като същевременно поддържа активни програми за научноизследователска и развойна дейност в нововъзникващи материали с ултраширока забранена зона, включително галиев оксид и диамантени полупроводници. Чрез стратегическо сътрудничество с водещи изследователски институции и производители на оборудване, XKH разработи гъвкава производствена платформа, способна да поддържа както производство на стандартизирани продукти в големи обеми, така и специализирано разработване на персонализирани материални решения. Техническият опит на XKH се фокусира върху справянето с критични предизвикателства в индустрията, като например подобряване на еднородността на пластините за силови устройства, подобряване на термичното управление в радиочестотните приложения и разработване на нови хетероструктури за фотонни устройства от следващо поколение. Чрез комбиниране на усъвършенствана материалознание с възможности за прецизно инженерство, XKH дава възможност на клиентите да преодолеят ограниченията в производителността при приложения с висока честота, висока мощност и екстремни условия, като същевременно подкрепя прехода на местната полупроводникова индустрия към по-голяма независимост от веригата за доставки.
Следните са 12-инчовата сапфирена пластина и 12-инчовата SiC подложка на XKH:
Време на публикуване: 06 юни 2025 г.