Prédiction et défis des semi-conducteurs de cinquième génération
Les semi-conducteurs sont la pierre angulaire de l'ère de l'information, et l'itération de leurs matériaux détermine directement les limites de la technologie humaine.De la première génération de semi-conducteurs à base de silicium à la quatrième génération actuelle de matériaux à bande passante ultra large, chaque génération d'innovation a conduit à un développement vertigineux dans des domaines tels que la communication, l'énergie et l'informatique.En analysant les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs de quatrième génération et la logique du remplacement générationnel, les directions possibles des semi-conducteurs de cinquième génération sont spéculées, et en même temps, la voie de percée pour la Chine dans ce domaine est explorée.
I. Caractéristiques des matériaux semi-conducteurs de quatrième génération et logique du remplacement générationnel
L'"ère fondatrice" de la première génération de semi-conducteurs: le silicium et le germanium
Caractéristiques:Les semi-conducteurs élémentaires représentés par le silicium (Si) et le germanium (Ge) présentent les avantages d'un faible coût, d'un procédé mature et d'une fiabilité élevée.Ils sont limités par la largeur de bande relativement étroite (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), ce qui entraîne une faible tension de résistance et des performances insuffisantes à haute fréquence.
Applications:Circuits intégrés, cellules solaires, appareils basse tension et basse fréquence.
La raison du changement de génération:Avec la demande croissante de performances à haute fréquence et à haute température dans les domaines de la communication et de l'optoélectronique, les matériaux à base de silicium sont progressivement incapables de répondre aux demandes.
Les plaquettes optiques Ge Windows et Si de ZMSH
Les semi-conducteurs de deuxième génération: la "révolution optoélectronique" des semi-conducteurs composés
Caractéristiques:Les composés du groupe III-V représentés par l'arsenure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP) présentent une largeur de bande accrue (GaAs: 1,42 eV), une grande mobilité électronique,et sont adaptés à la conversion à haute fréquence et photoélectrique.
Applications:Des appareils de radiofréquence 5G, des lasers, des communications par satellite.
Les défis:Les matériaux sont rares (réserves d'indium de seulement 0,001%), les coûts de préparation élevés et la présence d'éléments toxiques (comme l'arsenic).
La raison du remplacement des générations:Les nouveaux équipements d'énergie et de haute tension ont posé des exigences plus élevées en matière de résistance et d'efficacité de la tension, ce qui a conduit à l'émergence de matériaux à large bande passante.
Les plaquettes GaAs et InP de ZMSH
Les semi-conducteurs de troisième génération: la "révolution de l'énergie" avec une large bande passante
Caractéristiques:Avec le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) comme noyau, la largeur de la bande passante est significativement augmentée (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), avec un champ électrique à forte décomposition,conductivité thermique élevée et caractéristiques de haute fréquence.
Applications:Systèmes d'entraînement électriques pour les véhicules à énergie nouvelle, onduleurs photovoltaïques, stations de base 5G.
Les avantages:La consommation d'énergie est réduite de plus de 50% par rapport aux appareils à base de silicium et le volume est réduit de 70%.
La raison du remplacement des générations:Des domaines émergents tels que l'intelligence artificielle et l'informatique quantique nécessitent des matériaux plus performants pour le support, et des matériaux à bande passante ultra-large ont émergé comme le Times l'exige.
Les plaquettes SiC et GaN de ZMSH
Les semi-conducteurs de quatrième génération: la " percée extrême " de l'ultra large bande
Caractéristiques:Représenté par l'oxyde de gallium (Ga2O3) et le diamant (C), la largeur de bande a été encore augmentée (oxyde de gallium: 4,8 eV), avec à la fois une résistance à entrée ultra-faible et une tension de résistance ultra-haute,et ayant un potentiel de coût énorme.
Applications:Des puces électriques à ultra-haute tension, des détecteurs ultraviolets profonds, des dispositifs de communication quantique.
Découverte:Les dispositifs à oxyde de gallium peuvent résister à des tensions supérieures à 8000 V et leur efficacité est trois fois supérieure à celle du SiC.
La logique du remplacement des générations:La poursuite mondiale de la puissance de calcul et de l'efficacité énergétique a atteint sa limite physique, et de nouveaux matériaux doivent atteindre des sauts de performance à l'échelle quantique.
La plaque Ga2O3 de ZMSH et GaN On Diamond
II. Tendances des semi-conducteurs de cinquième génération: le "projet d'action futur" des matériaux quantiques et des structures bidimensionnelles
Si la voie évolutive de l'"expansion de la largeur de bande + intégration fonctionnelle" se poursuit, les semi-conducteurs de cinquième génération peuvent se concentrer sur les directions suivantes:
1) Isolateur topologique:Avec ses caractéristiques de conductivité de surface et d'isolation interne, il peut être utilisé pour construire des appareils électroniques à énergie zéro,briser le goulot d'étranglement de la production de chaleur des semi-conducteurs traditionnels.
2) Matériaux bidimensionnels:Le graphène et le disulfure de molybdène (MoS2), avec une épaisseur au niveau atomique, donnent une réponse à très haute fréquence et un potentiel électronique flexible.
3) Points quantiques et cristaux photoniques:En régulant la structure de bande par l'effet de confinement quantique, l'intégration multifonctionnelle de la lumière, de l'électricité et de la chaleur est réalisée.
4) Biosémiconducteurs:Matériaux autoassemblables à base d'ADN ou de protéines, compatibles avec les systèmes biologiques et les circuits électroniques.
5) Les forces motrices principales:La demande de technologies disruptives telles que l'intelligence artificielle, les interfaces cerveau-ordinateur,et la supraconductivité à température ambiante favorisent l'évolution des semi-conducteurs vers l'intelligence et la biocompatibilité.
Les opportunités pour l'industrie chinoise des semi-conducteurs: de " suivre " à " suivre le rythme "
1) Les percées technologiques et la structure de la chaîne industrielle
· Les semi-conducteurs de troisième génération:La Chine a réalisé une production de masse de substrats SiC de 8 pouces, et les MOSFET SiC de qualité automobile ont été appliqués avec succès dans des constructeurs automobiles tels que BYD.
· Les semi-conducteurs de quatrième génération:L'Université des Postes et Télécommunications de Xi'an et le 46e Institut de Recherche du Groupe de Technologie électronique de Chine ont découvert la technologie épitaxielle de 8 pouces d'oxyde de gallium,entrer dans le premier échelon du monde.
2) Appui politique et en capital
·Le quatorzième plan quinquennal du pays a énuméré les semi-conducteurs de troisième génération comme un objectif clé, et les gouvernements locaux ont créé des fonds industriels d'une valeur de plus de 10 milliards de yuans.
·Parmi les dix meilleurs progrès technologiques en 2024, des réalisations telles que des appareils à nitrure de gallium de 6 à 8 pouces et des transistors à oxyde de gallium ont été sélectionnées.démontrant une tendance révolutionnaire dans toute la chaîne industrielle.
IV. Les défis et la voie à parcourir
1) Goulots d'étranglement techniques
· Préparation du matériel:Le rendement de la croissance de cristaux simples de grande taille est faible (par exemple, l'oxyde de gallium est sujet à la fissuration) et la difficulté de contrôle des défauts est élevée.
· Fiabilité du dispositif:Les normes d'essai de durée de vie sous haute fréquence et haute tension ne sont pas encore terminées, et le cycle de certification des dispositifs automobiles est long.
2) Lacunes dans la chaîne industrielle
· Les équipements haut de gamme dépendent des importations:Par exemple, le taux de production intérieure de fours de croissance de cristaux de carbure de silicium est inférieur à 20%.
· Écosystème d'application faible:Les entreprises en aval préfèrent les composants importés et la substitution nationale nécessite des orientations politiques.
3) Développement stratégique
1- collaboration entre l'industrie et l'université:S'appuyant sur le modèle de "Third Generation Semiconductor Alliance",nous nous joindrons aux universités (comme l'Université du Zhejiang, l'Institut de technologie de Ningbo) et aux entreprises pour lutter contre les technologies de base.
2La concurrence différenciée:Concentrez-vous sur les marchés progressifs tels que les nouvelles énergies et les communications quantiques, et évitez la confrontation directe avec les géants traditionnels.
3- Cultivation des talents:Mettre en place un fonds spécial pour attirer les meilleurs chercheurs étrangers et promouvoir la construction de la discipline "Chip Science and Engineering".
Du silicium à l'oxyde de gallium, l'évolution des semi-conducteurs est une épopée de l'humanité qui franchit les limites physiques.Si la Chine peut saisir la fenêtre d'opportunité des semi-conducteurs de quatrième génération et faire des plans pour la cinquième génération de matériauxComme l'a déclaré l'académicien Yang Deren, "la véritable innovation exige le courage de prendre des chemins inexplorés." Sur ce sentier, la résonance de la politique, du capital et de la technologie déterminera le vaste océan de l'industrie chinoise des semi-conducteurs.
ZMSH, en tant que fournisseur dans le secteur des matériaux semi-conducteurs,a établi une présence globale dans toute la chaîne d'approvisionnement, allant des plaquettes de silicium/germanium de première génération aux films minces d'oxyde de gallium et de diamant de quatrième générationLa société se concentre sur l'amélioration de la production de masse de composants semi-conducteurs de troisième génération tels que des substrats de carbure de silicium et des plaquettes épitaxielles de nitrure de gallium.tout en faisant progresser en parallèle ses réserves techniques dans la préparation de cristaux pour les matériaux à bande ultra largeEn tirant parti d'un système verticalement intégré de R&D, de croissance des cristaux et de traitement, ZMSH fournit des solutions de matériaux personnalisées pour les stations de base 5G, les nouveaux appareils de puissance énergétique et les systèmes laser UV.La société a développé une structure de capacité de production graduée allant des plaquettes d'arsenure de gallium de 6 pouces aux plaquettes de carbure de silicium de 12 pouces, contribuant activement à l'objectif stratégique de la Chine consistant à construire une base matérielle autonome et contrôlable pour la compétitivité des semi-conducteurs de nouvelle génération.
La gaufre en saphir de 12 pouces de ZMSH et la gaufre en SiC de 12 pouces:
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