Previsione e sfide dei materiali semiconduttori di quinta generazione

Previsione e sfide dei materiali semiconduttori di quinta generazione

I semiconduttori sono la pietra angolare dell'era dell'informazione e l'iterazione dei loro materiali determina direttamente i confini della tecnologia umana.Dalla prima generazione di semiconduttori a base di silicio all'attuale quarta generazione di materiali a banda ultra larga, ogni generazione di innovazione ha guidato uno sviluppo rapido in settori quali la comunicazione, l'energia e l'informatica.Analizzando le caratteristiche dei materiali semiconduttori di quarta generazione e la logica della sostituzione generazionale, le possibili direzioni dei semiconduttori di quinta generazione sono speculate e, allo stesso tempo, viene esplorato il percorso di svolta per la Cina in questo campo.

I. Caratteristiche dei materiali semiconduttori di quarta generazione e logica della sostituzione generazionale

L'"era fondamentale" della prima generazione di semiconduttori: il silicio e il germanio

Caratteristiche:I semiconduttori elementari rappresentati dal silicio (Si) e dal germanio (Ge) hanno i vantaggi di basso costo, processo maturo e elevata affidabilità.sono limitati dalla larghezza della banda relativamente stretta (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), con conseguente scarsa tensione di resistenza e insufficiente prestazione ad alta frequenza.
Applicazioni:Circuiti integrati, celle solari, dispositivi a bassa tensione e bassa frequenza.
La ragione del cambiamento generazionale:Con la crescente domanda di prestazioni ad alta frequenza e ad alta temperatura nei campi della comunicazione e dell'optoelettronica, i materiali a base di silicio non sono gradualmente in grado di soddisfare le richieste.

Wafer Ge ottico Windows & Si di ZMSH

Semiconduttori di seconda generazione: la "rivoluzione optoelettronica" dei semiconduttori composti

Caratteristiche:I composti del gruppo III-V rappresentati dall'arsenuro di gallio (GaAs) e dal fosfuro di indio (InP) hanno una larghezza di banda maggiore (GaAs: 1,42 eV), elevata mobilità elettronica,con una lunghezza massima di 20 mm o più, ma non superiore a 50 mm.
Applicazioni:Dispositivi a radiofrequenza 5G, laser, comunicazioni satellitari.
Sfide:Materiali scarsi (come riserve di indio di solo lo 0,001%), elevati costi di preparazione e presenza di elementi tossici (come l'arsenico).
Il motivo della sostituzione generazionale:Le nuove apparecchiature per l'energia e l'elettricità ad alta tensione hanno posto requisiti più elevati per la resistenza e l'efficienza della tensione, il che ha portato all'emergere di materiali a banda larga.

Wafer GaAs e wafer InP di ZMSH

Semiconduttori di terza generazione: la "rivoluzione energetica" con larghezza di banda

Caratteristiche:Con il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) come nucleo, la larghezza del intervallo di banda è significativamente aumentata (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), con un campo elettrico ad alta rottura,elevata conduttività termica e caratteristiche ad alta frequenza.
Applicazioni:Sistemi di propulsione elettrica per veicoli a nuova energia, inverter fotovoltaici, stazioni base 5G.
Vantaggi:Il consumo di energia è ridotto di oltre il 50% rispetto ai dispositivi a base di silicio e il volume è ridotto del 70%.
Il motivo della sostituzione generazionale:I campi emergenti come l'intelligenza artificiale e il calcolo quantistico richiedono materiali ad alte prestazioni per il supporto, e sono emersi materiali a banda ultra larga come richiede il Times.

Wafer SiC e Wafer GaN di ZMSH

Semiconduttori di quarta generazione: l'"estrema scoperta" della banda ultra larga

Caratteristiche:Rappresentato dall'ossido di gallio (Ga2O3) e dal diamante (C), la larghezza di banda è ulteriormente aumentata (ossido di gallio: 4,8 eV), con resistenza di accensione ultrabassa e tensione di resistenza ultraalta,e con un enorme potenziale di costo.
Applicazioni:Chip ad altissima tensione, rilevatori ultravioletti profondi, dispositivi di comunicazione quantistica.
Sviluppo:I dispositivi a ossido di gallio possono resistere a tensioni superiori a 8000 V e la loro efficienza è tre volte superiore a quella del SiC.
La logica della sostituzione generazionale:La ricerca globale di potenza di calcolo ed efficienza energetica si è avvicinata al limite fisico, e nuovi materiali devono raggiungere salti di prestazioni su scala quantistica.

Wafer Ga2O3 di ZMSH e GaN On Diamond

II. Tendenze nei semiconduttori di quinta generazione: il "progetto futuro" dei materiali quantistici e delle strutture bidimensionali

Se il percorso evolutivo dell'"espansione della larghezza di banda + integrazione funzionale" continua, i semiconduttori di quinta generazione possono concentrarsi sulle seguenti direzioni:

1) Isolatore topologico:Con le caratteristiche di conduzione superficiale e isolamento interno, può essere utilizzato per costruire dispositivi elettronici a energia zero,rompere il collo di bottiglia della generazione di calore dei semiconduttori tradizionali.
2) Materiali bidimensionali:La maggior parte delle soluzioni chimiche, come il grafene e il disolfuro di molibdeno (MoS2), con spessore a livello atomico, forniscono una risposta ad altissima frequenza e un potenziale elettronico flessibile.
3) Punti quantistici e cristalli fotonici:Regolando la struttura della banda attraverso l'effetto di confinamento quantistico, si ottiene l'integrazione multifunzionale di luce, elettricità e calore.
4) Biosemiconduttori:Materiali autoassemblabili a base di DNA o proteine, compatibili con sistemi biologici e circuiti elettronici.
5) Forze motrici principali:La domanda di tecnologie dirompenti come l'intelligenza artificiale, le interfacce cervello-computer,e la superconduttività a temperatura ambiente sta promuovendo l'evoluzione dei semiconduttori verso l'intelligenza e la biocompatibilità.

Iii. Opportunità per l'industria dei semiconduttori cinese: dal "seguire" al "mantenere il passo"

1) Scoperte tecnologiche e struttura della catena industriale

· Semiconduttori di terza generazione:La Cina ha raggiunto la produzione di massa di substrati SiC da 8 pollici e i MOSFET SiC di livello automobilistico sono stati applicati con successo in case automobilistiche come BYD.
· Semiconduttori di quarta generazione:L'Università di Posta e Telecomunicazioni di Xi'an e il 46° Istituto di Ricerca della China Electronics Technology Group Corporation hanno superato la tecnologia epitaxicale dell'ossido di gallio da 8 pollici,Entrando nel primo livello del mondo.

2) Politica e sostegno dei capitali

·Il 14° piano quinquennale del paese ha elencato i semiconduttori di terza generazione come un obiettivo chiave, e i governi locali hanno istituito fondi industriali per oltre 10 miliardi di yuan.
·Tra i primi dieci progressi tecnologici del 2024, sono stati selezionati risultati come dispositivi a nitruro di gallio da 6-8 pollici e transistor ad ossido di gallio.dimostrando una tendenza rivoluzionaria nell'intera catena industriale.

IV. Sfide e strada per la rottura
 

1) Goccio di bottiglia tecnico

· Preparazione del materiale:Il rendimento della crescita di singoli cristalli di grandi dimensioni è basso (ad esempio, l'ossido di gallio è soggetto a crepa), e la difficoltà di controllo dei difetti è elevata.
· Affidabilità del dispositivo:Gli standard di prova di durata in condizioni di alta frequenza e di alta tensione non sono ancora completi e il ciclo di certificazione per i dispositivi di tipo automobilistico è lungo.

2) Carenze nella catena industriale

· Le attrezzature di fascia alta dipendono dalle importazioni:Per esempio, il tasso di produzione nazionale dei forni per la crescita dei cristalli di carburo di silicio è inferiore al 20%.
· Debole ecosistema di applicazioni:Le imprese a valle preferiscono i componenti importati e la sostituzione domestica richiede orientamenti politici.

3) Sviluppo strategico

1- collaborazione tra industria, università e ricerca:Sulla base del modello "Third Generation Semiconductor Alliance",Ci uniremo alle università (come l'Istituto Tecnologico di Ningbo dell'Università dello Zhejiang) e alle imprese per affrontare le tecnologie di base.
2Competenza differenziata:Concentrati sui mercati incrementali come la nuova energia e la comunicazione quantistica, ed evita il confronto diretto con i giganti tradizionali.
3- Coltivazione dei talenti:Stabilire un fondo speciale per attirare i migliori studiosi stranieri e promuovere la costruzione della disciplina "Scienza e ingegneria dei chip".

Dal silicio all'ossido di gallio, l'evoluzione dei semiconduttori e' un'epopea dell'umanita' che supera i limiti fisici.Se la Cina può cogliere la finestra di opportunità dei semiconduttori di quarta generazione e fare piani lungimiranti per i materiali di quinta generazioneCome ha detto l'accademico Yang Deren, "La vera innovazione richiede il coraggio di intraprendere percorsi inesplorati." Su questo sentiero, la risonanza di politica, capitale e tecnologia determinerà il vasto oceano dell'industria dei semiconduttori cinese.

ZMSH, come fornitore nel settore dei materiali semiconduttori,ha stabilito una presenza globale in tutta la catena di approvvigionamento, dalle wafer di silicio/germanio di prima generazione alle pellicole sottili di ossido di gallio e di diamanti di quarta generazioneLa società si concentra sull'aumento della produzione di massa di componenti semiconduttori di terza generazione quali substrati di carburo di silicio e wafer epitaxiali di nitruro di gallio.In parallelo, il gruppo sta sviluppando le sue riserve tecniche nel settore della preparazione di cristalli per materiali a banda ultra larga.Sfruttando un sistema di ricerca e sviluppo verticalmente integrato, crescita dei cristalli e elaborazione, ZMSH fornisce soluzioni materiali personalizzate per stazioni base 5G, nuovi dispositivi di alimentazione energetica e sistemi laser UV.L'azienda ha sviluppato una struttura di capacità produttiva graduale che va dalle wafer di arseniuro di gallio da 6 pollici alle wafer di carburo di silicio da 12 pollici, contribuendo attivamente all'obiettivo strategico della Cina di costruire una base materiale autosufficiente e controllabile per la competitività dei semiconduttori di nuova generazione.

Wafer di zaffiro da 12 pollici e wafer di SiC da 12 pollici di ZMSH:

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