Puolijohteet ovat informaatioaikakauden kulmakivi, ja jokainen materiaaliversio määrittelee uudelleen ihmiskunnan teknologian rajat. Ensimmäisen sukupolven piipohjaisista puolijohteista nykypäivän neljännen sukupolven erittäin leveän kaistanleveyden materiaaleihin jokainen evoluutioloikka on vauhdittanut mullistavia edistysaskeleita viestinnässä, energiassa ja tietojenkäsittelyssä. Analysoimalla olemassa olevien puolijohdemateriaalien ominaisuuksia ja sukupolvenvaihdoslogiikkaa voimme ennustaa viidennen sukupolven puolijohteiden mahdollisia suuntia ja samalla tutkia Kiinan strategisia polkuja tällä kilpailukentällä.
I. Neljän puolijohdesukupolven ominaisuudet ja evolutiivinen logiikka
Ensimmäisen sukupolven puolijohteet: pii-germanium-pohjan aikakausi
Ominaisuudet: Alkuainepuolijohteet, kuten pii (Si) ja germanium (Ge), tarjoavat kustannustehokkuutta ja kypsiä valmistusprosesseja, mutta niillä on kapeat kaistanleveydet (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), jotka rajoittavat jännitesietoa ja suorituskykyä korkeilla taajuuksilla.
Sovellukset: Integroidut piirit, aurinkokennot, pienjännite-/matalataajuuslaitteet.
Siirtymän ajuri: Korkean taajuuden/korkean lämpötilan suorituskyvyn kasvava kysyntä optoelektroniikassa ylitti piin ominaisuudet.
Toisen sukupolven puolijohteet: III-V-yhdistevallankumous
Ominaisuudet: III-V-yhdisteillä, kuten galliumarsenidilla (GaAs) ja indiumfosfidilla (InP), on leveämmät kaistanleveydet (GaAs: 1,42 eV) ja suuri elektronien liikkuvuus RF- ja fotoniikkasovelluksissa.
Sovellukset: 5G RF -laitteet, laserdiodit, satelliittiviestintä.
Haasteet: Materiaalien niukkuus (indiumin runsaus: 0,001 %), myrkylliset alkuaineet (arseeni) ja korkeat tuotantokustannukset.
Siirtymävaiheen ajuri: Energia-/tehosovellukset vaativat materiaaleja, joilla oli korkeammat läpilyöntijännitteet.
Kolmannen sukupolven puolijohteet: Laajan kaistanleveyden energiavallankumous
Ominaisuudet: Piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN) tuottavat yli 3 eV:n kaistanleveyden (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV), ja niillä on erinomainen lämmönjohtavuus ja korkeataajuusominaisuudet.
Sovellukset: sähköautojen voimansiirrot, aurinkosähköinvertterit, 5G-infrastruktuuri.
Edut: Yli 50 % energiansäästö ja 70 % koon pieneneminen piihin verrattuna.
Siirtymän ajuri: Tekoäly/kvanttilaskenta vaatii materiaaleja, joilla on äärimmäiset suorituskykymittarit.
Neljännen sukupolven puolijohteet: Erittäin laaja kaistanleveysalue
Ominaisuudet: Galliumoksidi (Ga₂O₃) ja timantti (C) saavuttavat jopa 4,8 eV:n kaistanleveydet, mikä yhdistää erittäin alhaisen päällekkäisresistanssin kV-luokan jännitetoleranssiin.
Sovellukset: Erittäin korkeajännitteiset IC-piirit, syvän UV-ilmaisimet, kvanttikommunikaatio.
Läpimurtoja: Ga₂O₃-laitteet kestävät yli 8 kV:n jännitteen, mikä kolminkertaistaa piikarbidin hyötysuhteen.
Evoluutiologiikka: Fyysisten rajojen ylittämiseksi tarvitaan kvanttimittakaavan suorituskyvyn harppauksia.
I. Viidennen sukupolven puolijohdetrendit: kvanttimateriaalit ja 2D-arkkitehtuurit
Mahdollisia kehitysvektoreita ovat:
1. Topologiset eristeet: Pintajohtavuus bulkkieristyksellä mahdollistaa häviöttömien elektroniikkatuotteiden valmistuksen.
2. 2D-materiaalit: Grafeeni/MoS₂ tarjoaa THz-taajuusvasteen ja joustavan elektroniikkayhteensopivuuden.
3. Kvanttipisteet ja fotoniset kiteet: Energiavyöhykkeen suunnittelu mahdollistaa optoelektronisen ja lämpöintegraation.
4. Biopuolijohteet: DNA/proteiinipohjaiset itsejärjestyvät materiaalit yhdistävät biologian ja elektroniikan.
5. Keskeiset ajurit: tekoäly, aivojen ja tietokoneiden rajapinnat ja huoneenlämmössä tapahtuva suprajohtavuus.
II. Kiinan puolijohdealan mahdollisuudet: seuraajasta johtajaksi
1. Teknologian läpimurrot
• 3. sukupolvi: 8-tuumaisten piikarbidialustojen massatuotanto; autoteollisuuden käyttöön tarkoitetut piikarbidi-MOSFETit BYD-ajoneuvoissa
• 4. sukupolvi: 8-tuumaiset Ga₂O₃-epitaksian läpimurrot XUPT:llä ja CETC46:lla
2. Poliittinen tuki
• 14. viisivuotissuunnitelma asettaa etusijalle kolmannen sukupolven puolijohteet
• Maakunnalliset sadan miljardin juanin teollisuusrahastot perustetaan
• Merkkipaaluja: 6–8 tuuman GaN-laitteet ja Ga₂O₃-transistorit listattu kymmenen suurimman teknisen edistysaskeleen joukkoon vuonna 2024
III. Haasteet ja strategiset ratkaisut
1. Tekniset pullonkaulat
• Kiteen kasvu: Alhainen saanto suuriläpimittaisille kiteille (esim. Ga₂O₃-krakkaus)
• Luotettavuusstandardit: Vakiintuneiden protokollien puute suuritehoisille/suurtaajuisille vanhenemistestien suorittamiseksi
2. Toimitusketjun aukot
• Laitteet: <20 % kotimaista piikarbidikiteiden viljelijöille
• Käyttöönotto: Tuodut komponentit suositaan alajuoksulla
3. Strategiset polut
• Teollisuuden ja akateemisen maailman yhteistyö: Mallina ”Kolmannen sukupolven puolijohdeliiton”
• Niche-painopiste: Priorisoi kvanttiviestintää/uusien energiamarkkinoiden
• Kykyjen kehittäminen: Perustetaan ”Sirutiede ja -tekniikka” -akateemisia ohjelmia
Piistä Ga₂O₃:een puolijohteiden evoluutio kuvaa ihmiskunnan voittoa fyysisistä rajoista. Kiinan mahdollisuus on neljännen sukupolven materiaalien hallitsemisessa ja samalla viidennen sukupolven innovaatioiden edelläkävijänä toimimisessa. Kuten akateemikko Yang Deren totesi: "Todellinen innovaatio vaatii ennennäkemättömien polkujen luomista." Politiikan, pääoman ja teknologian synergia määrää Kiinan puolijohteiden kohtalon.
XKH on noussut vertikaalisesti integroituneeksi ratkaisujen tarjoajaksi, joka on erikoistunut edistyneisiin puolijohdemateriaaleihin useissa eri teknologiasukupolvissa. Ydinosaamisemme kattaa kiteenkasvatus, tarkkuuskäsittelyn ja toiminnalliset pinnoitustekniikat, ja XKH toimittaa korkean suorituskyvyn substraatteja ja epitaksiaalisia kiekkoja huippuluokan sovelluksiin tehoelektroniikassa, radiotaajuusviestinnässä ja optoelektronisissa järjestelmissä. Valmistusekosysteemimme kattaa patentoidut prosessit 4–8 tuuman piikarbidi- ja galliumnitridi-kiekkojen valmistukseen alan johtavalla virheenhallinnalla, samalla kun ylläpidetään aktiivisia T&K-ohjelmia uusissa erittäin leveissä kaistanleveysmateriaaleissa, kuten galliumoksidissa ja timanttipuolijohteissa. Strategisen yhteistyön kautta johtavien tutkimuslaitosten ja laitevalmistajien kanssa XKH on kehittänyt joustavan tuotantoalustan, joka pystyy tukemaan sekä standardoitujen tuotteiden suuria määriä valmistusta että räätälöityjen materiaaliratkaisujen erikoistunutta kehittämistä. XKH:n tekninen asiantuntemus keskittyy kriittisten alan haasteiden ratkaisemiseen, kuten teholaitteiden kiekkojen tasaisuuden parantamiseen, RF-sovellusten lämmönhallinnan parantamiseen ja uusien heterorakenteiden kehittämiseen seuraavan sukupolven fotonisille laitteille. Yhdistämällä edistyneen materiaalitieteen tarkkuustekniikan kykyihin XKH mahdollistaa asiakkaiden suorituskyvyn rajoitusten voittamisen korkeataajuisissa, suuritehoisissa ja äärimmäisissä ympäristösovelluksissa ja tukee samalla kotimaisen puolijohdeteollisuuden siirtymistä kohti suurempaa toimitusketjun riippumattomuutta.
Seuraavat ovat XKH:n 12 tuuman safiirikiekko ja 12 tuuman piikarbidi-substraatti:
Julkaisun aika: 06.06.2025