Polovodiče slúžia ako základný kameň informačného veku, pričom každá iterácia materiálu nanovo definuje hranice ľudskej technológie. Od polovodičov na báze kremíka prvej generácie až po dnešné materiály štvrtej generácie s ultraširokým pásmovým zakázaným pásmom, každý evolučný skok viedol k transformačnému pokroku v komunikáciách, energetike a výpočtovej technike. Analýzou charakteristík a logiky generačného prechodu existujúcich polovodičových materiálov môžeme predpovedať potenciálne smery pre polovodiče piatej generácie a zároveň skúmať strategické cesty Číny v tejto konkurenčnej oblasti.
I. Charakteristiky a evolučná logika štyroch generácií polovodičov
Polovodiče prvej generácie: Éra kremíkovo-germániových základov
Charakteristika: Elementárne polovodiče ako kremík (Si) a germánium (Ge) ponúkajú nákladovú efektívnosť a vyspelé výrobné procesy, no trpia úzkymi zakázanými pásmami (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), čo obmedzuje toleranciu napätia a výkon pri vysokých frekvenciách.
Použitie: Integrované obvody, solárne články, nízkonapäťové/nízkofrekvenčné zariadenia.
Dôvod prechodu: Rastúci dopyt po vysokofrekvenčnom/vysokoteplotnom výkone v optoelektronike prekonal možnosti kremíka.
Polovodiče druhej generácie: Revolúcia zlúčenín III-V
Charakteristika: Zlúčeniny III-V ako arzenid gália (GaAs) a fosfid india (InP) sa vyznačujú širšími zakázanými pásmami (GaAs: 1,42 eV) a vysokou mobilitou elektrónov pre RF a fotonické aplikácie.
Aplikácie: 5G RF zariadenia, laserové diódy, satelitná komunikácia.
Výzvy: Nedostatok materiálov (množstvo india: 0,001 %), toxické prvky (arzén) a vysoké výrobné náklady.
Prechodový faktor: Energetické/výkonné aplikácie vyžadovali materiály s vyšším prierazným napätím.
Polovodiče tretej generácie: Revolúcia v oblasti energie so širokým zakázaným pásmom
Charakteristiky: Karbid kremíka (SiC) a nitrid gália (GaN) poskytujú šírku zakázaného pásma > 3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV) s vynikajúcou tepelnou vodivosťou a vysokofrekvenčnými charakteristikami.
Aplikácie: Pohonné jednotky pre elektromobily, fotovoltaické invertory, 5G infraštruktúra.
Výhody: Úspora energie viac ako 50 % a zmenšenie veľkosti o 70 % v porovnaní s kremíkom.
Hnacia sila prechodu: Umelá inteligencia/kvantové výpočty si vyžadujú materiály s extrémnymi výkonnostnými metrikami.
Polovodiče štvrtej generácie: Hranica ultraširokého pásmového zakázaného pásma
Charakteristiky: Oxid gália (Ga₂O₃) a diamant (C) dosahujú zakázané pásma až do 4,8 eV, čím kombinujú ultranízky odpor v zapnutom stave s toleranciou napätia triedy kV.
Aplikácie: Integrované obvody s ultravysokým napätím, detektory hlbokého UV žiarenia, kvantová komunikácia.
Prelomové objavy: Zariadenia Ga₂O₃ odolávajú napätiu >8 kV, čím sa účinnosť SiC strojnásobí.
Evolučná logika: Na prekonanie fyzikálnych limitov sú potrebné skoky vo výkonnosti v kvantovom meradle.
I. Trendy polovodičov piatej generácie: kvantové materiály a 2D architektúry
Medzi potenciálne vektory rozvoja patria:
1. Topologické izolanty: Povrchová vodivosť s objemovou izoláciou umožňuje elektroniku s nulovými stratami.
2. 2D materiály: Grafén/MoS₂ ponúkajú teraHz-frekvenčnú odozvu a flexibilnú kompatibilitu s elektronikou.
3. Kvantové bodky a fotonické kryštály: Inžinierstvo pásmovej medzery umožňuje optoelektronickú a tepelnú integráciu.
4. Biopolovodiče: Samoorganizujúce sa materiály na báze DNA/proteínov premosťujú biológiu a elektroniku.
5. Kľúčové faktory: AI, rozhrania mozog-počítač a požiadavky na supravodivosť pri izbovej teplote.
II. Príležitosti Číny v oblasti polovodičov: Od nasledovníka k lídrovi
1. Technologické prielomy
• 3. generácia: Hromadná výroba 8-palcových SiC substrátov; automobilové SiC MOSFETy vo vozidlách BYD
• 4. generácia: Prielomy v epitaxii 8-palcového Ga₂O₃ od XUPT a CETC46
2. Podpora politiky
• 14. päťročný plán uprednostňuje polovodiče 3. generácie
• Zriadené provinčné priemyselné fondy v hodnote sto miliárd juanov
• Míľniky: 6-8-palcové GaN zariadenia a tranzistory Ga₂O₃ zaradené medzi 10 najvýznamnejších technologických pokrokov v roku 2024
III. Výzvy a strategické riešenia
1. Technické úzke miesta
• Rast kryštálov: Nízky výťažok pre guľôčky s veľkým priemerom (napr. krakovanie Ga₂O₃)
• Normy spoľahlivosti: Chýbajúce zavedené protokoly pre testy starnutia pri vysokom výkone/vysokej frekvencii
2. Medzery v dodávateľskom reťazci
• Vybavenie: <20 % domáceho obsahu pre pestovateľov kryštálov SiC
• Prijatie: Preferovanie importovaných komponentov v následných fázach
3. Strategické cesty
• Spolupráca medzi priemyslom a akademickou obcou: Vytvorená podľa vzoru „Aliancie polovodičov tretej generácie“
• Zameranie na špecializované oblasti: Uprednostniť kvantovú komunikáciu/nové energetické trhy
• Rozvoj talentov: Zaviesť akademické programy „Veda a inžinierstvo čipov“
Od kremíka po Ga₂O₃, evolúcia polovodičov zaznamenáva triumf ľudstva nad fyzikálnymi limitmi. Príležitosť Číny spočíva v zvládnutí materiálov štvrtej generácie a zároveň v priekopníctve inovácií piatej generácie. Ako poznamenal akademik Yang Deren: „Skutočná inovácia si vyžaduje razenie neprebádaných ciest.“ Synergia politiky, kapitálu a technológie určí osud Číny v oblasti polovodičov.
Spoločnosť XKH sa stala vertikálne integrovaným poskytovateľom riešení špecializujúcim sa na pokročilé polovodičové materiály naprieč viacerými technologickými generáciami. S kľúčovými kompetenciami zahŕňajúcimi rast kryštálov, presné spracovanie a technológie funkčných povlakov, spoločnosť XKH dodáva vysokovýkonné substráty a epitaxné doštičky pre špičkové aplikácie vo výkonovej elektronike, rádiofrekvenčnej komunikácii a optoelektronických systémoch. Náš výrobný ekosystém zahŕňa proprietárne procesy na výrobu 4-8 palcových doštičiek z karbidu kremíka a nitridu gália s poprednou kontrolou defektov v odvetví a zároveň udržiava aktívne programy výskumu a vývoja v oblasti nových materiálov s ultraširokým zakázaným pásmom vrátane oxidu gália a diamantových polovodičov. Prostredníctvom strategickej spolupráce s poprednými výskumnými inštitúciami a výrobcami zariadení spoločnosť XKH vyvinula flexibilnú výrobnú platformu schopnú podporovať veľkoobjemovú výrobu štandardizovaných produktov aj špecializovaný vývoj materiálových riešení na mieru. Technické znalosti spoločnosti XKH sa zameriavajú na riešenie kritických priemyselných výziev, ako je zlepšenie uniformity doštičiek pre výkonové zariadenia, zlepšenie tepelného manažmentu vo rádiofrekvenčných aplikáciách a vývoj nových heterostruktúr pre fotonické zariadenia novej generácie. Kombináciou pokročilej materiálovej vedy s možnosťami presného inžinierstva umožňuje spoločnosť XKH zákazníkom prekonať výkonnostné obmedzenia vo vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a extrémnych prostrediach a zároveň podporuje prechod domáceho polovodičového priemyslu smerom k väčšej nezávislosti dodávateľského reťazca.
Nasledujú 12-palcové zafírové doštičky a 12-palcový SiC substrát od spoločnosti XKH:
Čas uverejnenia: 6. júna 2025