پیش‌بینی‌ها و چالش‌های پیش روی مواد نیمه‌هادی نسل پنجم

نیمه‌هادی‌ها سنگ بنای عصر اطلاعات هستند و هر بار تکرار این ماده، مرزهای فناوری بشر را از نو تعریف می‌کند. از نیمه‌هادی‌های مبتنی بر سیلیکون نسل اول تا مواد با شکاف باند فوق عریض نسل چهارم امروزی، هر جهش تکاملی، پیشرفت‌های دگرگون‌کننده‌ای را در ارتباطات، انرژی و محاسبات به همراه داشته است. با تجزیه و تحلیل ویژگی‌ها و منطق گذار نسلی مواد نیمه‌هادی موجود، می‌توانیم مسیرهای بالقوه برای نیمه‌هادی‌های نسل پنجم را پیش‌بینی کنیم و در عین حال مسیرهای استراتژیک چین را در این عرصه رقابتی بررسی کنیم.

I. ویژگی‌ها و منطق تکاملی چهار نسل نیمه‌هادی

نیمه‌رساناهای نسل اول: دوران بنیاد سیلیکون-ژرمانیوم

ویژگی‌ها: نیمه‌رساناهای عنصری مانند سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) از نظر هزینه مقرون‌به‌صرفه هستند و فرآیندهای تولیدی بالغی ارائه می‌دهند، اما از شکاف‌های باند باریک (Si: 1.12 eV؛ Ge: 0.67 eV) رنج می‌برند که تحمل ولتاژ و عملکرد فرکانس بالا را محدود می‌کند.
کاربردها: مدارهای مجتمع، سلول‌های خورشیدی، دستگاه‌های ولتاژ پایین/فرکانس پایین.
محرک گذار: تقاضای فزاینده برای عملکرد فرکانس/دمای بالا در الکترونیک نوری از قابلیت‌های سیلیکون پیشی گرفت.

نیمه‌رساناهای نسل دوم: انقلاب ترکیبات III-V

ویژگی‌ها: ترکیبات III-V مانند گالیوم آرسنید (GaAs) و ایندیوم فسفید (InP) دارای شکاف‌های باند وسیع‌تر (GaAs: 1.42 eV) و تحرک الکترونی بالا برای کاربردهای RF و فوتونیک هستند.
کاربردها: دستگاه‌های RF نسل پنجم، دیودهای لیزری، ارتباطات ماهواره‌ای.
چالش‌ها: کمبود مواد (فراوانی ایندیوم: ۰.۰۰۱٪)، عناصر سمی (آرسنیک) و هزینه‌های بالای تولید.
محرک گذار: کاربردهای انرژی/قدرت، موادی با ولتاژ شکست بالاتر را طلب می‌کردند.

نیمه‌رساناهای نسل سوم: انقلاب انرژی با شکاف باند وسیع

ویژگی‌ها: کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) شکاف‌های باندی >3eV (SiC:3.2eV; GaN:3.4eV) با رسانایی حرارتی برتر و ویژگی‌های فرکانس بالا ارائه می‌دهند.
کاربردها: قوای محرکه خودروهای برقی، اینورترهای فتوولتائیک، زیرساخت 5G.
مزایا: بیش از ۵۰٪ صرفه‌جویی در انرژی و ۷۰٪ کاهش اندازه در مقایسه با سیلیکون.
محرک گذار: هوش مصنوعی/محاسبات کوانتومی به موادی با معیارهای عملکرد بسیار بالا نیاز دارد.

نیمه‌رساناهای نسل چهارم: مرز شکاف باند فوق‌پهن

ویژگی‌ها: اکسید گالیوم (Ga₂O₃) و الماس (C) به شکاف‌های باند تا 4.8eV دست می‌یابند و مقاومت بسیار کم در حالت روشن را با تحمل ولتاژ کلاس kV ترکیب می‌کنند.
کاربردها: آی‌سی‌های ولتاژ بسیار بالا، آشکارسازهای فرابنفش عمیق، ارتباطات کوانتومی.
پیشرفت‌ها: دستگاه‌های Ga₂O₃ در برابر ولتاژهای بالاتر از ۸ کیلوولت مقاومت می‌کنند و راندمان SiC را سه برابر می‌کنند.
منطق تکاملی: برای غلبه بر محدودیت‌های فیزیکی، جهش‌های عملکردی در مقیاس کوانتومی مورد نیاز است.

I. روندهای نیمه‌هادی نسل پنجم: مواد کوانتومی و معماری‌های دوبعدی

بردارهای توسعه بالقوه عبارتند از:

۱. عایق‌های توپولوژیکی: رسانایی سطحی با عایق حجمی، امکان ساخت قطعات الکترونیکی با تلفات صفر را فراهم می‌کند.

۲. مواد دوبعدی: گرافن/MoS₂ پاسخ فرکانسی در حد تراهرتز و سازگاری الکترونیکی انعطاف‌پذیری ارائه می‌دهند.

۳. نقاط کوانتومی و کریستال‌های فوتونی: مهندسی شکاف باند، ادغام اپتوالکترونیکی-حرارتی را امکان‌پذیر می‌کند.

۴. نیمه‌رساناهای زیستی: مواد خودآرا مبتنی بر DNA/پروتئین، پلی بین زیست‌شناسی و الکترونیک ایجاد می‌کنند.

۵. محرک‌های کلیدی: هوش مصنوعی، رابط‌های مغز و کامپیوتر، و تقاضا برای ابررسانایی در دمای اتاق.

دوم. فرصت‌های چین در صنعت نیمه‌هادی: از دنباله‌رو تا پیشرو

۱. پیشرفت‌های فناوری
• نسل سوم: تولید انبوه زیرلایه‌های SiC 8 اینچی؛ MOSFETهای SiC با گرید خودرویی در خودروهای BYD
• نسل چهارم: پیشرفت‌های اپیتاکسی Ga₂O₃ هشت اینچی توسط XUPT و CETC46

۲. پشتیبانی از سیاست‌ها
• چهاردهمین برنامه پنج ساله، نیمه هادی های نسل سوم را در اولویت قرار داده است
• صندوق‌های صنعتی استانی با بودجه صد میلیارد یوان تأسیس شدند

• دستگاه‌های GaN با اندازه ۶ تا ۸ اینچ و ترانزیستورهای Ga₂O₃ در میان ۱۰ پیشرفت برتر فناوری در سال ۲۰۲۴ قرار گرفتند.

III. چالش‌ها و راه‌حل‌های استراتژیک

۱. تنگناهای فنی
• رشد کریستال: بازده کم برای گلوله‌های با قطر بزرگ (مثلاً ترک خوردگی Ga₂O₃)
• استانداردهای قابلیت اطمینان: فقدان پروتکل‌های تثبیت‌شده برای آزمایش‌های پیری توان بالا/فرکانس بالا

۲. شکاف‌های زنجیره تأمین
• تجهیزات: کمتر از 20٪ محتوای داخلی برای تولیدکنندگان کریستال SiC
• پذیرش: اولویت پایین‌دستی برای قطعات وارداتی

۳. مسیرهای استراتژیک

• همکاری صنعت و دانشگاه: الگوبرداری شده از «اتحاد نیمه‌رسانای نسل سوم»

• تمرکز ویژه: اولویت‌بندی ارتباطات کوانتومی/بازارهای انرژی جدید

• توسعه استعدادها: ایجاد برنامه‌های دانشگاهی «علوم و مهندسی تراشه»

از سیلیکون تا گالیوم₂او₃، تکامل نیمه‌رساناها، پیروزی بشریت بر محدودیت‌های فیزیکی را شرح می‌دهد. فرصت چین در تسلط بر مواد نسل چهارم و در عین حال پیشگامی در نوآوری‌های نسل پنجم نهفته است. همانطور که یانگ درن، استاد دانشگاه، اشاره کرد: «نوآوری واقعی نیازمند پیمودن مسیرهای نرفته است.» هم‌افزایی سیاست، سرمایه و فناوری، سرنوشت نیمه‌رسانای چین را تعیین خواهد کرد.

XKH به عنوان یک ارائه‌دهنده راه‌حل‌های یکپارچه عمودی، متخصص در مواد نیمه‌هادی پیشرفته در نسل‌های مختلف فناوری، ظهور کرده است. XKH با داشتن شایستگی‌های اصلی در زمینه رشد کریستال، پردازش دقیق و فناوری‌های پوشش‌دهی کاربردی، زیرلایه‌ها و ویفرهای اپیتاکسیال با کارایی بالا را برای کاربردهای پیشرفته در الکترونیک قدرت، ارتباطات RF و سیستم‌های اپتوالکترونیکی ارائه می‌دهد. اکوسیستم تولیدی ما شامل فرآیندهای اختصاصی برای تولید ویفرهای کاربید سیلیکون و نیترید گالیوم 4 تا 8 اینچی با کنترل نقص پیشرو در صنعت است، در حالی که برنامه‌های تحقیق و توسعه فعال را در مواد نوظهور با شکاف باند فوق عریض از جمله اکسید گالیوم و نیمه‌هادی‌های الماس حفظ می‌کند. XKH از طریق همکاری‌های استراتژیک با مؤسسات تحقیقاتی و تولیدکنندگان تجهیزات پیشرو، یک پلتفرم تولید انعطاف‌پذیر ایجاد کرده است که قادر به پشتیبانی از تولید انبوه محصولات استاندارد و توسعه تخصصی راه‌حل‌های مواد سفارشی است. تخصص فنی XKH بر پرداختن به چالش‌های حیاتی صنعت مانند بهبود یکنواختی ویفر برای دستگاه‌های قدرت، افزایش مدیریت حرارتی در کاربردهای RF و توسعه ساختارهای ناهمگن جدید برای دستگاه‌های فوتونیک نسل بعدی متمرکز است. با ترکیب علم مواد پیشرفته با قابلیت‌های مهندسی دقیق، XKH به مشتریان این امکان را می‌دهد که بر محدودیت‌های عملکرد در کاربردهای با فرکانس بالا، توان بالا و محیط‌های سخت غلبه کنند و در عین حال از گذار صنعت نیمه‌هادی داخلی به سمت استقلال بیشتر در زنجیره تأمین پشتیبانی کنند.

موارد زیر ویفر یاقوت کبود ۱۲ اینچی و زیرلایه SiC ۱۲ اینچی XKH هستند: