Previsão e desafios dos materiais semicondutores de quinta geração

Previsão e desafios dos materiais semicondutores de quinta geração

Os semicondutores são a pedra angular da era da informação, e a iteração dos seus materiais determina diretamente os limites da tecnologia humana.Da primeira geração de semicondutores à base de silício para a atual quarta geração de materiais de banda ultra larga, cada geração de inovação tem impulsionado um desenvolvimento de salto em domínios como comunicação, energia e computação.Analisando as características dos materiais semicondutores de quarta geração e a lógica da substituição geracional, as possíveis direcções dos semicondutores de quinta geração são especuladas e, ao mesmo tempo, o caminho de avanço para a China neste domínio é explorado.

I. Características dos materiais semicondutores de quarta geração e a lógica da substituição geracional

A "Era Fundamental" da primeira geração de semicondutores: silício e germânio

Características:Os semicondutores elementares representados pelo silício (Si) e pelo germânio (Ge) têm as vantagens de baixo custo, processo maduro e alta fiabilidade.são limitados pela largura relativamente estreita da faixa (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), o que resulta em uma baixa tensão de resistência e desempenho de alta frequência insuficiente.
Aplicações:Circuitos integrados, células solares, dispositivos de baixa tensão e baixa frequência.
A razão para a mudança de geração:Com a crescente demanda por desempenho de alta frequência e alta temperatura nos campos da comunicação e da optoeletrônica, os materiais à base de silício são gradualmente incapazes de atender às demandas.

As placas ópticas Ge Windows & Si da ZMSH

Semicondutores de segunda geração: A "Revolução Optoeletrônica" dos semicondutores compostos

Características:Os compostos do grupo III-V representados pelo arsenieto de gálio (GaAs) e pelo fosfeto de ínio (InP) apresentam uma largura de banda maior (GaAs: 1,42 eV), alta mobilidade de elétrons,e são adequados para conversão de alta frequência e fotoelétrica.
Aplicações:Dispositivos de radiofrequência 5G, lasers, comunicações por satélite.
Desafios:A escassez de materiais (como as reservas de ínio de apenas 0,001%), os elevados custos de preparação e a presença de elementos tóxicos (como o arsénico).
Razão da substituição geracional:Os novos equipamentos de energia e de alta tensão apresentaram requisitos mais elevados de resistência e eficiência à tensão, o que levou ao surgimento de materiais de banda larga.

Wafer GaAs & InP da ZMSH

Semicondutores de terceira geração: a "Revolução da Energia" com banda larga

Características:Com o carburo de silício (SiC) e o nitruro de gálio (GaN) como núcleo, a largura do intervalo de banda é significativamente aumentada (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), apresentando um campo elétrico de alta degradação,Alta condutividade térmica e características de alta frequência.
Aplicações:Sistemas elétricos de propulsão para veículos de nova energia, inversores fotovoltaicos, estações base 5G.
Vantagens:O consumo de energia é reduzido em mais de 50% em comparação com os dispositivos à base de silício e o volume é reduzido em 70%.
Razão da substituição geracional:Campos emergentes como inteligência artificial e computação quântica exigem materiais de maior desempenho para suporte, e materiais de banda ultra larga surgiram como exigido pelo The Times.

Wafer de SiC e Wafer de GaN da ZMSH

Semicondutores de quarta geração: o "desenvolvimento extremo" da banda ultra larga

Características:Representado pelo óxido de gálio (Ga2O3) e pelo diamante (C), a largura da distância de banda aumentou ainda mais (óxido de gálio: 4,8 eV), apresentando resistência de entrada ultra-baixa e tensão de resistência ultra-alta,e com um enorme potencial de custos.
Aplicações:Chips de energia de ultra-alta tensão, detectores ultravioleta profundos, dispositivos de comunicação quântica.
Descoberta:Os dispositivos de óxido de gálio podem suportar tensões superiores a 8000 V e a sua eficiência é três vezes superior à do SiC.
A lógica da substituição geracional:A busca global de poder de computação e eficiência energética aproximou-se do limite físico, e novos materiais precisam alcançar saltos de desempenho na escala quântica.

Wafer Ga2O3 da ZMSH e GaN On Diamond

II. Tendências em semicondutores de quinta geração: o "projeto futuro" de materiais quânticos e estruturas bidimensionais

Se o caminho evolutivo da "expansão da largura de banda + integração funcional" continuar, os semicondutores de quinta geração podem se concentrar nas seguintes direções:

1) Isolador topológico:Com as características de condução superficial e isolamento interno, pode ser utilizado para construir dispositivos eletrónicos de energia zero,rompendo o gargalo da geração de calor dos semicondutores tradicionais.
2) Materiais bidimensionais:A partir de um estudo recente, foi demonstrado que a quantidade de moléculas de dióxido de carbono (CO2) é muito menor do que a quantidade de moléculas de dióxido de carbono (CO2).
3) Pontos quânticos e cristais fotónicos:Ao regular a estrutura da banda através do efeito de confinamento quântico, a integração multifuncional de luz, eletricidade e calor é alcançada.
4) Biossemicondutores:Materiais de auto-montagem baseados em ADN ou proteínas, compatíveis com sistemas biológicos e circuitos electrónicos.
5) Forças motrizes essenciais:A demanda por tecnologias disruptivas como a inteligência artificial, as interfaces cérebro-computador,e a supercondutividade à temperatura ambiente está a promover a evolução dos semicondutores para a inteligência e biocompatibilidade.

III. Oportunidades para a indústria chinesa de semicondutores: de "seguir" para "manter o ritmo"

1) Avanços tecnológicos e estrutura da cadeia industrial

· Semicondutores de terceira geração:A China alcançou a produção em massa de substratos de SiC de 8 polegadas, e os MOSFETs de SiC de grau automotivo foram aplicados com sucesso em fabricantes de automóveis como a BYD.
· Semicondutores de quarta geração:A Universidade de Correios e Telecomunicações de Xi'an e o 46o Instituto de Pesquisa do Grupo de Tecnologia Eletrônica da China... conseguiram avançar na tecnologia epitaxial de óxido de gálio de 8 polegadas.Entrando no primeiro escalão do mundo.

2) Apoio político e de capital

·O 14o Plano Quinquenal do país listou os semicondutores de terceira geração como um foco chave, e os governos locais estabeleceram fundos industriais no valor de mais de 10 bilhões de yuans.
·Entre os dez melhores avanços tecnológicos em 2024, foram selecionadas realizações como dispositivos de nitruro de gálio de 6-8 polegadas e transistores de óxido de gálio,Demonstrando uma tendência inovadora em toda a cadeia industrial.

IV. Desafios e o caminho para o avanço
 

1) Engarrafamento técnico

· Preparação do material:O rendimento do crescimento de cristal único de grande porte é baixo (por exemplo, o óxido de gálio é propenso a rachaduras) e a dificuldade de controle de defeitos é alta.
· Confiabilidade do dispositivo:Os padrões de ensaio de vida útil sob alta frequência e alta tensão ainda não estão completos e o ciclo de certificação para dispositivos de classe automotiva é longo.

2) Deficiências na cadeia industrial

· Os equipamentos de ponta dependem das importações:Por exemplo, a taxa de produção nacional de fornos de crescimento de cristais de carburo de silício é inferior a 20%.
· Ecossistema de aplicações fraco:As empresas a jusante preferem componentes importados e a substituição interna requer orientações políticas.

3) Desenvolvimento estratégico

1- Colaboração entre a indústria, a universidade e a investigação:Baseando-se no modelo "Third Generation Semiconductor Alliance",Iremos juntar as mãos com universidades (como a Universidade de Zhejiang, o Instituto de Tecnologia de Ningbo) e empresas para enfrentar as tecnologias centrais..
2- Concorrência diferenciada:Concentrar-se em mercados incrementais, como a nova energia e a comunicação quântica, e evitar o confronto direto com gigantes tradicionais.
3- Cultivo de talentos:Estabelecer um fundo especial para atrair os melhores estudiosos estrangeiros e promover a construção da disciplina de "Chip Science and Engineering".

Do silício ao óxido de gálio, a evolução dos semicondutores é um épico da humanidade a romper os limites físicos.Se a China conseguir aproveitar a oportunidade dos semicondutores de quarta geração e fazer planos prospectivos para os materiais de quinta geraçãoComo disse o acadêmico Yang Deren, "a verdadeira inovação requer a coragem de tomar caminhos desconhecidos." Neste caminho, a ressonância da política, do capital e da tecnologia determinará o vasto oceano da indústria de semicondutores da China.

A ZMSH, como fornecedora no sector dos materiais semicondutores,estabeleceu uma presença abrangente em toda a cadeia de fornecimento, desde as wafers de silício/germânio de primeira geração até as películas finas de óxido de gálio e diamantes de quarta geraçãoA empresa concentra-se na melhoria da produção em massa de componentes de semicondutores de terceira geração, tais como substratos de carburo de silício e wafers epitaxial de nitreto de gálio.Ao mesmo tempo que avançava em paralelo as suas reservas técnicas em preparação de cristais para materiais de banda ultra largaAproveitando um sistema de P&D, crescimento de cristais e processamento verticalmente integrado, a ZMSH fornece soluções de materiais personalizadas para estações base 5G, dispositivos de energia nova e sistemas de laser UV.A empresa desenvolveu uma estrutura de capacidade de produção graduada que varia de wafers de arsenieto de gálio de 6 polegadas a wafers de carburo de silício de 12 polegadas, contribuindo ativamente para o objectivo estratégico da China de construir uma base material auto-suficiente e controlada para a competitividade dos semicondutores de próxima geração.

A bolacha de safira de 12 polegadas da ZMSH e a bolacha de SiC de 12 polegadas:

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