Els semiconductors són la pedra angular de l'era de la informació, i cada iteració del material redefineix els límits de la tecnologia humana. Des dels semiconductors basats en silici de primera generació fins als materials de banda prohibida ultraampla de quarta generació actuals, cada salt evolutiu ha impulsat avenços transformadors en les comunicacions, l'energia i la informàtica. Analitzant les característiques i la lògica de transició generacional dels materials semiconductors existents, podem predir possibles direccions per als semiconductors de cinquena generació alhora que explorem les vies estratègiques de la Xina en aquest àmbit competitiu.
I. Característiques i lògica evolutiva de quatre generacions de semiconductors
Semiconductors de primera generació: l'era de la Fundació Silici-Germani
Característiques: Els semiconductors elementals com el silici (Si) i el germani (Ge) ofereixen una bona relació qualitat-preu i processos de fabricació madurs, però pateixen de bandes prohibides estretes (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), cosa que limita la tolerància a la tensió i el rendiment d'alta freqüència.
Aplicacions: circuits integrats, cèl·lules solars, dispositius de baixa tensió/baixa freqüència.
Impulsor de transició: La creixent demanda de rendiment d'alta freqüència/alta temperatura en optoelectrònica va superar les capacitats del silici.
Semiconductors de segona generació: la revolució dels compostos III-V
Característiques: Els compostos III-V com l'arseniur de gal·li (GaAs) i el fosfur d'indi (InP) presenten intervals de banda més amplis (GaAs: 1,42 eV) i una alta mobilitat d'electrons per a aplicacions fotòniques i de radiofreqüència.
Aplicacions: dispositius RF 5G, díodes làser, comunicacions per satèl·lit.
Reptes: escassetat de materials (abundància d'indi: 0,001%), elements tòxics (arsènic) i elevats costos de producció.
Controlador de transició: les aplicacions d'energia/potència exigien materials amb tensions de ruptura més elevades.
Semiconductors de tercera generació: revolució energètica de banda àmplia
Característiques: El carbur de silici (SiC) i el nitrur de gal·li (GaN) ofereixen intervals de banda >3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV), amb una conductivitat tèrmica superior i característiques d'alta freqüència.
Aplicacions: sistemes de propulsió per a vehicles elèctrics, inversors fotovoltaics, infraestructura 5G.
Avantatges: estalvi d'energia superior al 50% i reducció de mida del 70% en comparació amb el silici.
Impulsor de transició: la IA/computació quàntica requereix materials amb mètriques de rendiment extremes.
Semiconductors de quarta generació: frontera de banda prohibida ultraampla
Característiques: L'òxid de gal·li (Ga₂O₃) i el diamant (C) aconsegueixen intervals de banda de fins a 4,8 eV, combinant una resistència de conducció ultrabaixa amb una tolerància de voltatge de classe kV.
Aplicacions: circuits integrats d'ultra alt voltatge, detectors d'UV profund, comunicació quàntica.
Avenços: els dispositius de Ga₂O₃ suporten més de 8 kV, triplicant l'eficiència del SiC.
Lògica evolutiva: Calen salts de rendiment a escala quàntica per superar els límits físics.
I. Tendències en semiconductors de cinquena generació: materials quàntics i arquitectures 2D
Els vectors de desenvolupament potencials inclouen:
1. Aïllants topològics: la conducció superficial amb aïllament massiu permet electrònica sense pèrdues.
2. Materials 2D: El grafè/MoS₂ ofereix una resposta de freqüència THz i una compatibilitat electrònica flexible.
3. Punts quàntics i cristalls fotònics: l'enginyeria de banda prohibida permet la integració optoelectrònica-tèrmica.
4. Biosemiconductors: materials autoassemblables basats en ADN/proteïnes que uneixen la biologia i l'electrònica.
5. Impulsors clau: IA, interfícies cervell-ordinador i demandes de superconductivitat a temperatura ambient.
II. Oportunitats dels semiconductors a la Xina: de seguidor a líder
1. Avenços tecnològics
• 3a generació: producció en massa de substrats de SiC de 8 polzades; MOSFET de SiC de grau automotriu en vehicles BYD
• 4a generació: avenços en epitaxia de Ga₂O₃ de 8 polzades per XUPT i CETC46
2. Suport a les polítiques
• El 14è Pla Quinquennal prioritza els semiconductors de tercera generació
• S'han establert fons industrials provincials de cent mil milions de iuans
• Fites Dispositius GaN de 6-8 polzades i transistors de Ga₂O₃ entre els 10 principals avenços tecnològics del 2024
III. Reptes i solucions estratègiques
1. Colls d'ampolla tècnics
• Creixement cristal·lí: Baix rendiment per a boles de gran diàmetre (per exemple, esquerdament de Ga₂O₃)
• Estàndards de fiabilitat: Manca de protocols establerts per a proves d'envelliment d'alta potència/alta freqüència
2. Buits a la cadena de subministrament
• Equipament: <20% de contingut nacional per a productors de cristalls de SiC
• Adopció: Preferència aigües avall pels components importats
3. Vies estratègiques
• Col·laboració entre la indústria i el món acadèmic: inspirada en la «Third-Gen Semiconductor Alliance»
• Nínxol d'enfocament: Prioritzar les comunicacions quàntiques/nous mercats energètics
• Desenvolupament del talent: Establir programes acadèmics de “Ciència i enginyeria de xips”
Des del silici fins al Ga₂O₃, l'evolució dels semiconductors narra el triomf de la humanitat sobre els límits físics. L'oportunitat de la Xina rau en dominar els materials de quarta generació i alhora ser pionera en innovacions de cinquena generació. Com va assenyalar l'acadèmic Yang Deren: "La veritable innovació requereix forjar camins inèdits". La sinergia entre la política, el capital i la tecnologia determinarà el destí dels semiconductors de la Xina.
XKH ha emergit com un proveïdor de solucions integrat verticalment especialitzat en materials semiconductors avançats en múltiples generacions tecnològiques. Amb competències bàsiques que abasten el creixement de cristalls, el processament de precisió i les tecnologies de recobriment funcional, XKH ofereix substrats d'alt rendiment i oblies epitaxials per a aplicacions d'avantguarda en electrònica de potència, comunicacions RF i sistemes optoelectrònics. El nostre ecosistema de fabricació abasta processos patentats per a la producció d'oblies de carbur de silici i nitrur de gal·li de 4-8 polzades amb un control de defectes líder en la indústria, alhora que manté programes actius d'R+D en materials emergents de banda prohibida ultra ampla, inclosos els semiconductors d'òxid de gal·li i diamant. A través de col·laboracions estratègiques amb institucions de recerca i fabricants d'equips líders, XKH ha desenvolupat una plataforma de producció flexible capaç de donar suport tant a la fabricació d'alt volum de productes estandarditzats com al desenvolupament especialitzat de solucions de materials personalitzades. L'experiència tècnica de XKH se centra en abordar els reptes crítics de la indústria, com ara millorar la uniformitat de les oblies per a dispositius de potència, millorar la gestió tèrmica en aplicacions RF i desenvolupar noves heteroestructures per a dispositius fotònics de nova generació. Combinant la ciència de materials avançada amb les capacitats d'enginyeria de precisió, XKH permet als clients superar les limitacions de rendiment en aplicacions d'alta freqüència, alta potència i entorns extrems, alhora que dóna suport a la transició de la indústria nacional de semiconductors cap a una major independència de la cadena de subministrament.
Els següents són l'oblia de safir de 12 polzades i el substrat de SiC de 12 polzades de XKH:
Data de publicació: 06-06-2025