Polovodiče slouží jako základní kámen informačního věku a každá iterace materiálu nově definuje hranice lidské technologie. Od polovodičů na bázi křemíku první generace až po dnešní materiály s ultraširokým zakázaným pásmem čtvrté generace, každý evoluční skok vedl k transformačnímu pokroku v komunikacích, energetice a výpočetní technice. Analýzou charakteristik a logiky generační transformace stávajících polovodičových materiálů můžeme předpovědět potenciální směry pro polovodiče páté generace a zároveň zkoumat strategické cesty Číny v této konkurenční oblasti.
I. Charakteristiky a evoluční logika čtyř generací polovodičů
Polovodiče první generace: Éra křemíkovo-germaniových základů
Charakteristika: Elementární polovodiče jako křemík (Si) a germanium (Ge) nabízejí cenovou efektivitu a vyspělé výrobní procesy, ale trpí úzkými zakázanými pásmy (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), což omezuje toleranci napětí a výkon při vysokých frekvencích.
Použití: Integrované obvody, solární články, nízkonapěťová/nízkofrekvenční zařízení.
Důvod transformace: Rostoucí poptávka po vysokofrekvenčním/vysokoteplotním výkonu v optoelektronice předčila možnosti křemíku.
Polovodiče druhé generace: Revoluce sloučenin III-V
Charakteristika: Sloučeniny III-V, jako je arsenid galia (GaAs) a fosfid india (InP), se vyznačují širšími zakázanými pásmy (GaAs: 1,42 eV) a vysokou mobilitou elektronů pro RF a fotonické aplikace.
Aplikace: 5G RF zařízení, laserové diody, satelitní komunikace.
Výzvy: Nedostatek materiálů (obsah india: 0,001 %), toxické prvky (arsen) a vysoké výrobní náklady.
Přechodový faktor: Energetické/výkonové aplikace vyžadovaly materiály s vyšším průrazným napětím.
Polovodiče třetí generace: Revoluce v oblasti energie s širokým zakázaným pásmem
Charakteristiky: Karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN) poskytují šířku zakázaného pásma > 3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV) s vynikající tepelnou vodivostí a vysokofrekvenčními charakteristikami.
Použití: Pohonné jednotky pro elektromobily, fotovoltaické střídače, infrastruktura 5G.
Výhody: Úspora energie o 50 % a více a zmenšení velikosti o 70 % oproti křemíku.
Hnací síla přechodu: Umělá inteligence/kvantové výpočty vyžadují materiály s extrémními výkonnostními metrikami.
Polovodiče čtvrté generace: Hranice ultraširoké zakázané pásmové mezery
Charakteristiky: Oxid galia (Ga₂O₃) a diamant (C) dosahují šířky zakázaného pásma až 4,8 eV, což kombinuje ultranízký odpor v zapnutém stavu s tolerancí napětí třídy kV.
Aplikace: Integrované obvody pro ultravysoké napětí, detektory hlubokého UV záření, kvantová komunikace.
Průlomy: Zařízení Ga₂O₃ odolávají napětí >8 kV, čímž se ztrojnásobuje účinnost SiC.
Evoluční logika: K překonání fyzikálních limitů jsou nutné skoky ve výkonu v kvantovém měřítku.
I. Trendy polovodičů páté generace: kvantové materiály a 2D architektury
Mezi potenciální vektory rozvoje patří:
1. Topologické izolanty: Povrchové vedení s objemovou izolací umožňuje elektroniku s nulovými ztrátami.
2. 2D materiály: Grafen/MoS₂ nabízí teraHzovou frekvenční odezvu a flexibilní kompatibilitu s elektronikou.
3. Kvantové tečky a fotonické krystaly: Technologie pásmové mezery umožňuje optoelektronickou a tepelnou integraci.
4. Biopolovodiče: samouspořádávající se materiály na bázi DNA/proteinů propojují biologii a elektroniku.
5. Klíčové faktory: Umělá inteligence, rozhraní mozek-počítač a požadavky na supravodivost při pokojové teplotě.
II. Příležitosti Číny v oblasti polovodičů: Od následovníka k lídrovi
1. Technologické průlomy
• 3. generace: Hromadná výroba 8palcových substrátů SiC; MOSFETy SiC automobilové kvality ve vozidlech BYD
• 4. generace: Průlomy v epitaxi 8 palců Ga₂O₃ od XUPT a CETC46
2. Podpora politik
• 14. pětiletý plán upřednostňuje polovodiče 3. generace
• Zřízeny provinční průmyslové fondy v hodnotě sto miliard juanů
• Milníky: 6-8palcové GaN součástky a tranzistory Ga₂O₃ zařazené mezi 10 nejvýznamnějších technologických pokroků v roce 2024
III. Výzvy a strategická řešení
1. Technické úzká místa
• Růst krystalů: Nízký výtěžek pro kousky o velkém průměru (např. krakování Ga₂O₃)
• Standardy spolehlivosti: Nedostatek zavedených protokolů pro testy stárnutí při vysokém výkonu/vysokých frekvencích
2. Mezery v dodavatelském řetězci
• Zařízení: <20 % domácího obsahu pro pěstitele krystalů SiC
• Přijetí: Preferování importovaných komponent v následných fázích
3. Strategické cesty
• Spolupráce mezi průmyslem a akademickou sférou: Po vzoru „Aliance polovodičů třetí generace“
• Zaměření na specifické oblasti: Upřednostnění kvantové komunikace/nových energetických trhů
• Rozvoj talentů: Zavést akademické programy „Čipová věda a inženýrství“
Od křemíku po Ga₂O₃, evoluce polovodičů zaznamenává triumf lidstva nad fyzikálními limity. Čína má příležitost zvládnout materiály čtvrté generace a zároveň být průkopníkem v inovacích páté generace. Jak poznamenal akademik Yang Deren: „Skutečná inovace vyžaduje razení neprobádaných cest.“ Synergie politiky, kapitálu a technologií určí osud Číny v oblasti polovodičů.
Společnost XKH se stala vertikálně integrovaným poskytovatelem řešení specializujícím se na pokročilé polovodičové materiály napříč různými technologickými generacemi. S klíčovými kompetencemi zahrnujícími růst krystalů, přesné zpracování a technologie funkčních povlaků dodává XKH vysoce výkonné substráty a epitaxní destičky pro špičkové aplikace ve výkonové elektronice, RF komunikaci a optoelektronických systémech. Náš výrobní ekosystém zahrnuje proprietární procesy pro výrobu destiček z karbidu křemíku a nitridu galia o průměru 4–8 palců s špičkovou kontrolou defektů a zároveň udržuje aktivní výzkumné a vývojové programy v oblasti nově vznikajících materiálů s ultraširokým zakázaným pásmem, včetně oxidu galia a diamantových polovodičů. Prostřednictvím strategické spolupráce s předními výzkumnými institucemi a výrobci zařízení vyvinula XKH flexibilní výrobní platformu schopnou podporovat jak velkoobjemovou výrobu standardizovaných produktů, tak specializovaný vývoj zakázkových materiálových řešení. Technické znalosti společnosti XKH se zaměřují na řešení kritických průmyslových výzev, jako je zlepšení uniformity destiček pro výkonová zařízení, zlepšení tepelného managementu ve RF aplikacích a vývoj nových heterostruktur pro fotonická zařízení nové generace. Kombinací pokročilé materiálové vědy s možnostmi přesného inženýrství umožňuje XKH zákazníkům překonávat výkonnostní omezení ve vysokofrekvenčních, vysoce výkonných a extrémních podmínkách a zároveň podporuje přechod domácího polovodičového průmyslu k větší nezávislosti dodavatelského řetězce.
Následuje 12palcový safírový wafer a 12palcový SiC substrát od společnosti XKH:
Čas zveřejnění: 6. června 2025