Vorhersagen und Herausforderungen von Halbleitermaterialien der fünften Generation
April 29, 2025
Vorhersagen und Herausforderungen von Halbleitermaterialien der fünften Generation
Halbleiter sind der Eckpfeiler des Informationszeitalters, und die Iteration von Halbleitermaterialien definiert direkt die Grenzen menschlichen technologischen Fortschritts.Von Halbleitern der ersten Generation auf Siliziumbasis bis zu den heutigen Ultrabreitband-Materialien der vierten Generation, hat jede Innovationswelle eine sprunghafte Entwicklung in den Bereichen Kommunikation, Energie, Informatik und anderen Bereichen vorangetrieben.
Durch die Analyse der Eigenschaften und der Generationsersatzlogik von vier Generationen von HalbleitermaterialienWir können die möglichen Richtungen für Halbleiter der fünften Generation ableiten und Chinas Durchbruchspfad in diesem Bereich diskutieren..
I. Merkmale von vier Generationen von Halbleitermaterialien und Generationsersatzlogik
Halbleiter der ersten Generation:
Die "Gründungszeit" von Silizium und Germanium
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Eigenschaften:Sie wurden durch elementare Halbleiter wie Silizium (Si) und Germanium (Ge) dargestellt und boten Vorteile wie niedrige Kosten, ausgereifte Verarbeitung und hohe Zuverlässigkeit.Sie waren durch relativ enge Bandbreiten (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), was zu einem schlechten Spannungswiderstand und unzureichender Hochfrequenzleistung führt.
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Anwendungen:Integrierte Schaltungen, Solarzellen, Niederspannungs- und Niederfrequenzgeräte.
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Grund für den Ersatz:Da die Nachfrage nach Hochfrequenz- und Hochtemperaturleistung in der Kommunikation und Optoelektronik stieg, konnten Silizium-basierte Materialien den Anforderungen nicht mehr gerecht werden.
Halbleiter der zweiten Generation:
Die "optoelektronische Revolution" der zusammengesetzten Halbleiter
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Eigenschaften:mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm,Indiumphosphid (InP)Diese Materialien verfügen über breitere Bandbreiten (GaAs: 1,42 eV) und eine hohe Elektronenmobilität, was sie für Hochfrequenz- und optoelektronische Anwendungen geeignet macht.
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Anwendungen:5G-HF-Geräte, Laser, Satellitenkommunikation.
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Herausforderungen:Materialknappheit (z. B. Indium ist nur 0,001%) und hohe Herstellungskosten, wobei giftige Elemente (wie Arsen) beteiligt sind.
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Grund für den Ersatz:Die Entstehung neuer Energie- und Hochspannungsausrüstungen erforderte noch höhere Spannungsbeständigkeit und Effizienz, was den Aufstieg von Breitbandmaterialien veranlasste.
Halbleiter der dritten Generation:
Die "Energie-Revolution" der Breitbandmaterialien
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Eigenschaften:Diese Materialien, die sich um Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) drehen, bieten deutlich größere Bandbreiten (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), elektrische Felder mit hoher Aufspaltung,hohe Wärmeleitfähigkeit, und überlegene Hochfrequenzleistung.
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Anwendungen:Elektrische Antriebssysteme in neuen Energiefahrzeugen, Photovoltaik-Wechselrichter, 5G-Basisstationen.
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Vorteile:Im Vergleich zu Silizium-basierten Geräten reduzieren sie den Energieverbrauch um mehr als 50% und schrumpfen das Gerätevolumen um 70%.
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Grund für den Ersatz:Aufstrebende Bereiche wie künstliche Intelligenz und Quantencomputing forderten Materialien mit noch höherer Leistung, was zum Aufkommen von Ultra-Wide-Bandgap-Materialien führte.
Halbleiter der vierten Generation:
Der "extreme Durchbruch" der Ultrabreitbandbreite
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Eigenschaften:Vertretet von
(Ga2O3) und Diamant (C), diese Materialien erweitern die Bandlücke weiter (Ga2O3: 4,8 eV), bieten einen ultra-niedrigen Leitwiderstand, einen ultra-hohen Spannungswiderstand und ein erhebliches Kostensenkungspotenzial.
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Anwendungen:Ultra-Hochspannungs-Power-Chips, UV-Detektoren, Quantenkommunikationsgeräte.
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Durchbrüche:Gallium-Oxid-Geräte können Spannungen von mehr als 8000 V aushalten, wobei sich die Effizienz im Vergleich zu SiC-Geräten verdreifacht.
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Ersatzlogik:Da sich die weltweiten Anforderungen an Rechenleistung und Energieeffizienz physikalischen Grenzen nähern, müssen neue Materialien Leistungssprünge auf Quantenskala erreichen.
II. Trends für Halbleiter der fünften Generation:
Die "Zukunftsplanung" von Quantenmaterialien und zweidimensionalen Strukturen
Wenn der evolutionäre Weg der "Erweiterung der Bandbreite + funktionelle Integration" fortgesetzt wird, können sich Halbleiter der fünften Generation auf folgende Richtungen konzentrieren:
Topologische Isolatoren:
Materialien, die an der Oberfläche leitfähig, aber innen isolierend sind,die Erstellung von elektronischen Geräten mit Null-Energieverlust ermöglicht und den Hitzeerzeugungsengpass der herkömmlichen Halbleiter überwindet.
Zweidimensionale Materialien:
Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid (MoS2), deren atomare Dicke eine hochfrequente Reaktion ermöglicht und das Potenzial für flexible Elektronik bietet.
Quantenpunkte und fotonische Kristalle:
Nutzung von Quantenbindungseffekten zur Regulierung der Energiebandstruktur, um eine multifunktionale Integration von Licht, Elektrizität und Wärme zu erreichen.
Biohalbleiter:
Selbstmontierbare Materialien auf Basis von DNA oder Proteinen, die sowohl mit biologischen Systemen als auch mit elektronischen Schaltungen kompatibel sind.
Kerntriebkräfte:
Durchbrechende technologische Anforderungen, wie künstliche Intelligenz, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Raumtemperatur-Supraleitung,sind Halbleiter in Richtung intelligenter und biokompatibler Evolution vorantreiben.
III. Chancen für China:
Vom "Folgen" zum "Laufen Seite an Seite"
Technologische Durchbrüche und Einsatz in der Industriekette
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Halbleiter der dritten Generation:
China hat eine Massenproduktion von 8-Zoll-SiC-Substraten erreicht, wobei von Automobilherstellern wie BYD erfolgreich SiC-MOSFETs in der Automobilindustrie eingesetzt wurden.
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Halbleiter der vierten Generation:
Institutionen wie die Xi'an Universität für Post und Telekommunikation und das CETC 46 Institut haben die 8-Zoll-Epitax-Technologie für Galliumoxid durchbrochen und sind damit zu den führenden Akteuren der Welt geworden.
Politik und Kapitalförderung
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Der nationale "14. Fünfjahresplan" bezeichnet Halbleiter der dritten Generation als Schlüsselbereich.
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Die lokalen Regierungen haben Industriefonds im Wert von hunderten Milliarden Yuan eingerichtet.
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In den Top 10 Technological Advances 2024 wurden Leistungen wie 6 ′′ 8 GaN-Geräte und Gallium-Oxid-Transistoren anerkannt, was auf Durchbrüche in der gesamten Lieferkette hinweist.
IV. Herausforderungen und Wege zum Durchbruch
Technische Engpässe
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Materialvorbereitung:
Einzigkristallwachstum mit großem Durchmesser hat geringe Ertragsraten (z. B. Galliumoxid ist anfällig für Risse) und die Fehlerkontrolle ist äußerst schwierig. -
Zuverlässigkeit des Geräts:
Standards für Lebenszeitprüfungen unter Hochfrequenz- und Hochspannungsbedingungen sind noch nicht vollständig festgelegt, und die Zertifizierungen für die Automobilindustrie sind langwierig.
Mängel in der Branchenkette
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Abhängigkeit von importierten hochwertigen Geräten:
So liegen die Inlandsproduktionsraten für SiC-Kristallzuwachsöfen beispielsweise unter 20%. -
Schwaches Anwendungsökosystem:
Die nachgelagerten Unternehmen bevorzugen nach wie vor importierte Geräte; der Inlandsersatz wird politische Leitlinien erfordern.
Strategische Entwicklungsansätze
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Ich...Industrie-Universität-Forschung Zusammenarbeit:
Lernen Sie von Modellen wie der "Third-Generation Semiconductor Alliance"," Gemeinsame Bekämpfung von Kerntechnologien durch Zusammenarbeit zwischen Universitäten (wie z.B. Zhejiang University Ningbo Institute of Technology) und Unternehmen. -
Unterschiedlicher Wettbewerb:
Konzentrieren Sie sich auf Wachstumsmärkte wie neue Energien und Quantenkommunikation, um eine direkte Konfrontation mit traditionellen Industriegiganten zu vermeiden. -
Talententwicklung:
Einrichtung spezieller Fonds zur Gewinnung von Spitzenwissenschaftlern aus dem Ausland und Förderung der Entwicklung von Disziplinen wie "Chip Science and Engineering".
Von Silizium bis Galliumoxid ist die Evolution der Halbleiter eine Saga der Menschheit, die die Grenzen der Physik herausfordert.
Wenn China die Gelegenheit nutzen kann, die die Halbleiter der vierten Generation bieten, und sich strategisch für Materialien der fünften Generation positioniert,Es kann im globalen technologischen Wettlauf eine "Streckenwechselüberholung" erreichen..
Wie Akademiker Yang Deren sagte: "Wahre Innovation erfordert den Mut, ungetretene Wege zu gehen".
Auf diesem Weg wird die Resonanz von Politik, Kapital und Technologie die Zukunft der chinesischen Halbleiterindustrie und ihre Reise zu Sternen und Meer bestimmen.