Vorhersage und Herausforderungen von Halbleitermaterialien der fünften Generation

Vorhersage und Herausforderungen der Halbleitermaterialien der fünften Generation

Halbleiter sind der Eckpfeiler des Informationszeitalters, und die Iteration ihrer Materialien bestimmt direkt die Grenzen der menschlichen Technologie. Von der ersten Generation von Halbleitern auf Siliziumbasis bis zur aktuellen vierten Generation von ultra-weiten Bandgap-Materialien hat jede Innovationsgeneration in Bereichen wie Kommunikation, Energie und Computing die Leapfrog-Entwicklung angetrieben. Durch die Analyse der Merkmale der Halbleitermaterialien der vierten Generation und der Logik des Generationsersatzes werden die möglichen Richtungen der Halbleiter der fünften Generation spekuliert, und gleichzeitig wird der Durchbruchpfad für China in diesem Bereich untersucht.

I. Merkmale der Halbleitermaterialien der vierten Generation und der Logik des Generationsersatzes

Die "Grund Ära" der ersten Generation von Halbleitern: Silizium und Germanium

Eigenschaften:Elementare Halbleiter, die durch Silizium (SI) und Germanium (GE) vertreten werden, haben die Vorteile von kostengünstigen, ausgereiften Prozess und hohe Zuverlässigkeit. Sie sind jedoch durch die relativ schmale Bandlückenbreite (SI: 1,12 eV, GE: 0,67 eV) begrenzt, was zu einer schlechten Standspannung und einer unzureichenden Hochfrequenzleistung führt.
Anwendungen:Integrierte Schaltungen, Solarzellen, niedrige Spannungs- und Niederfrequenzgeräte.
Der Grund für Generationenveränderungen:Angesichts der steigenden Nachfrage nach Hochfrequenz- und Hochtemperaturleistung in den Bereichen Kommunikation und Optoelektronik sind die Materialien auf Siliziumbasis allmählich nicht in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen.

ZMSHs GE Optical Windows & Si Wafers

Halbleiter der zweiten Generation: Die "optoelektronische Revolution" von zusammengesetzten Halbleitern

Eigenschaften:Die durch Galliumarsenid (GAA) und Indiumphosphid (INP) dargestellten III-V-Gruppe haben eine erhöhte Bandgap-Breite (GAAs: 1,42 eV), hohe Elektronenmobilität und sind für hochfrequente und photoelektrische Umwandlung geeignet.
Anwendungen:5G -Funkfrequenzgeräte, Laser, Satellitenkommunikation.
Herausforderungen:Knappe Materialien (wie Indiumreserven von nur 0,001%), hohe Vorbereitungskosten und das Vorhandensein toxischer Elemente (wie Arsen).
Der Grund für den Generationenersatz:Neue Energie- und Hochspannungs-Stromausrüstung haben höhere Anforderungen für Spannungswiderstand und Effizienz vorgelegt, was das Auftreten von breiten Bandlückenmaterialien vorangetrieben hat.

Zmshs Gaas Wafer & INP Wafers

Halbleiter der dritten Generation: Die "Energierevolution" mit breiter Bandgap

Merkmale:Mit Siliziumcarbid (SIC) und Galliumnitrid (GaN) als Kern ist die Bandgap-Breite signifikant erhöht (sic: 3,2 eV, GaN: 3.4 eV) mit einem hohen Elektrofeld mit hohem Breakdown-Feld, hohen thermischen Leitfähigkeit und hohen Frequenzeigenschaften.
Anwendungen:Elektrische Antriebssysteme für neue Energiefahrzeuge, Photovoltaik -Wechselrichter, 5G -Basisstationen.
Vorteile:Der Energieverbrauch wird im Vergleich zu siliciumbasierten Geräten um mehr als 50% verringert und das Volumen um 70% reduziert.
Der Grund für den Generationenersatz:Aufstrebende Felder wie künstliche Intelligenz und Quantencomputer erfordern für die Unterstützung höhere Leistungsmaterialien, und ultra-weite Bandgap-Materialien haben sich herausgestellt, wie die Zeiten erforderlich sind.

ZMSHs SIC Wafer & Gan Wafers

Halbleiter der vierten Generation: der "extreme Durchbruch" von ultra-weiten Bandgücken

Eigenschaften:Die Bandlap-Breite wird durch Galliumoxid (Ga₂o₃) und Diamond (C) dargestellt und hat weiter erhöht (Galliumoxid: 4,8 eV), mit ultra-niedrigem On-Resistenz- und Ultrahohen-Spannungsspannung sowie ein enormes Kostenpotential.
Anwendungen:Ultrahohe Spannungs-Leistungschips, tiefe ultraviolette Detektoren, Quantenkommunikationsgeräte.
Durchbruch:Galliumoxidgeräte können Spannungen von über 8000 V standhalten, und ihre Effizienz ist dreimal höher als die von SIC.
Die Logik des Generationsersatzes:Das globale Streben nach Rechenleistung und Energieeffizienz hat sich der physischen Grenze angesprochen, und neue Materialien müssen auf der Quantenskala Leistungssprung erreichen.

Zmshs Ga₂o₃ Wafer & Gan auf Diamond

Ii. Trends in Halbleitern der fünften Generation: "zukünftige Blaupause" von Quantenmaterialien und zweidimensionalen Strukturen

Wenn der evolutionäre Pfad der Expansion "Bandgap Breite + funktionelle Integration" fortgesetzt wird, können sich die Halbleiter der fünften Generation auf die folgenden Richtungen konzentrieren:

1) Topologischer Isolator:Mit den Eigenschaften der Oberflächenleitung und der inneren Isolierung kann es verwendet werden, um elektronische Geräte mit Null-Energie zu bauen, wodurch der Engpass der Wärmeerzeugung traditioneller Halbleiter durchbricht.
2) zweidimensionale Materialien:wie Graphen- und Molybdän-Disulfid (MOS₂) mit Dicke auf Atomebene, geben den ultrahoch hohen Frequenzgang und das flexible Elektronenpotential.
3) Quantenpunkte und photonische Kristalle:Durch die Regulierung der Bandstruktur durch den Quantenbeschränkungseffekt wird die multifunktionale Integration von Licht, Strom und Wärme erreicht.
4) Biosemikum:Selbstorganisierende Materialien basierend auf DNA oder Proteinen, die mit biologischen Systemen und elektronischen Schaltungen kompatibel sind.
5) Kerntriebkräfte:Die Nachfrage nach disruptiven Technologien wie künstliche Intelligenz, Hirn-Computer-Schnittstellen und Superkonditionivität der Raumtemperatur fördert die Entwicklung von Halbleitern in Richtung Intelligenz und Biokompatibilität.

III. Chancen für die chinesische Halbleiterindustrie: Von "folgen" bis "Schritt halten"

1) technologische Durchbrüche und Layout der Industriekette

· Halbleiter der dritten Generation:China hat eine Massenproduktion von 8-Zoll-SIC-Substraten erreicht, und bei Autoherstellern wie BYD wurden SIC-MOSFETs mit Automobilgröße erfolgreich angewendet.
· Halbleiter der vierten Generation:XI 'An der Universität für Posts und Telekommunikation und das 46. Forschungsinstitut der China Electronics Technology Group Corporation haben die 8-Zoll-Galliumoxid-Epitaxial-Technologie durchgebrochen und in die erste Echelon der Welt eingetreten.

2) Politik und Kapitalunterstützung

·Der 14. Fünfjahresplan des Landes hat die Halbleiter der dritten Generation als Hauptaugenmerk aufgelistet, und die lokalen Regierungen haben Industriefonds im Wert von über 10 Milliarden Yuan eingerichtet.
·Unter den zehn besten technologischen Fortschritten im Jahr 2024 wurden Leistungen wie 6-8-Zoll-Galliumnitrid-Geräte und Galliumoxidtransistoren ausgewählt, was einen Durchbruchstrend über die gesamte Industriekette zeigte.

Iv. Herausforderungen und der Weg zum Durchbruch
 

1) Technischer Engpass

· Materialvorbereitung:Die Ausbeute an großer Einkristallwachstum ist niedrig (zum Beispiel ist Galliumoxid anfällig für das Knacken) und die Schwierigkeit der Defektkontrolle ist hoch.
· Zuverlässigkeit der Geräte:Die Lebensstandards für Lebensdauer unter hoher Frequenz und Hochspannung sind noch nicht vollständig, und der Zertifizierungszyklus für Geräte für Automobilqualität ist lang.

2) Mängel in der Industriekette

· High-End-Geräte basieren auf Importen:Beispielsweise beträgt die Inlandsproduktionsrate von Siliziumkarbidkristallwachstumsöfen weniger als 20%.
· Schwaches Anwendungsökosystem:Nachgeschaltete Unternehmen bevorzugen importierte Komponenten, und inländische Substitution erfordert politische Anleitungen.

3) Strategische Entwicklung

1. Die Zusammenarbeit zwischen Industrieuniversitätsforschung:Ausgestattet auf das Modell "Semiconductor Alliance der dritten Generation" werden wir uns mit Universitäten (wie dem Ningbo Institute of Technology der Zhejiang University) und Enterprises zusammenschließen, um die Kerntechnologien anzugehen.
2. Differenzierter Wettbewerb:Konzentrieren Sie sich auf inkrementelle Märkte wie neue Energie und Quantenkommunikation und vermeiden Sie direkte Konfrontation mit traditionellen Riesen.
3. Talentanbau:Richten Sie einen speziellen Fonds ein, um Spitzenwissenschaftler in Übersee anzuziehen und den Disziplin -Bau von "Chip Science and Engineering" zu fördern.

Von Silizium bis Galliumoxid ist die Entwicklung von Halbleitern ein Epos der Menschheit, die durch physikalische Grenzen bricht. Wenn China das Fenster der Chancen der Halbleiter der vierten Generation nutzen und zukunftsgerichtete Pläne für die Materialien der fünften Generation erstellen kann, wird erwartet, dass im globalen technologischen Wettbewerb einen "Spurwechsel" -Steilung erzielt wird. Wie der Akademiker Yang Deren sagte: "Wahre Innovation erfordert den Mut, unbekannte Wege aufzunehmen." Auf diesem Weg wird die Resonanz von Politik, Kapital und Technologie den riesigen Ozean der chinesischen Halbleiterindustrie bestimmen.

ZMSH als Lieferant im Sektor der Halbleitermaterialien hat eine umfassende Präsenz in der gesamten Lieferkette festgestellt, die von Silizium-/Germanium-Wafern der ersten Generation bis zu Galliumoxid- und Diamantdünnfilmen der vierten Generation überschreitet. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Verbesserung der Massenproduktionsrendite für Halbleiterkomponenten der dritten Generation wie Siliziumkarbidsubstrate und Galliumnitrid-Epitaxialwafer und gleichzeitig seine technischen Reserven in der Kristallvorbereitung für ultra-breite Bandgap-Materialien parallel. Zmsh nutzt ein vertikal integriertes F & E-, Kristallwachstum und Verarbeitungssystem und liefert maßgeschneiderte Materiallösungen für 5G -Basisstationen, neue Energieleistungsgeräte und UV -Lasersysteme. Das Unternehmen hat eine abgestufte Produktionskapazitätsstruktur von 6-Zoll-Gallium-Arsenid-Wafern bis hin zu 12-Zoll-Silizium-Carbid-Wafern entwickelt, was aktiv zum strategischen Ziel Chinas beiträgt, eine autarke und kontrollierbare materielle Grundlage für die Wettbewerbsfähigkeit der nächsten Generation für die nächste Generation aufzubauen.

ZMSHs 12 -Zoll -Sapphire -Wafer & 12 -Zoll -SiC -Wafer:

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