תחזיות ואתגרים עבור חומרי מוליכים למחצה מהדור החמישי

מוליכים למחצה משמשים כאבן הפינה של עידן המידע, כאשר כל איטרציה של חומרים מגדירה מחדש את גבולות הטכנולוגיה האנושית. החל מדור ראשון של מוליכים למחצה מבוססי סיליקון ועד לחומרים בעלי פער אנרגיה רחב במיוחד מהדור הרביעי של ימינו, כל קפיצת מדרגה אבולוציונית הובילה להתקדמות טרנספורמטיבית בתקשורת, אנרגיה ומחשוב. על ידי ניתוח המאפיינים ולוגיקת המעבר הדורי של חומרי מוליכים למחצה קיימים, אנו יכולים לחזות כיוונים פוטנציאליים עבור מוליכים למחצה מהדור החמישי תוך בחינת המסלולים האסטרטגיים של סין בזירה תחרותית זו.

א. מאפיינים והיגיון אבולוציוני של ארבעה דורות של מוליכים למחצה

מוליכים למחצה מהדור הראשון: עידן יסודות הסיליקון-גרמניום

מאפיינים: מוליכים למחצה אלמנטריים כמו סיליקון (Si) וגרמניום (Ge) מציעים יעילות כלכלית ותהליכי ייצור בוגרים, אך סובלים מפערי מתח צרים (Si: 1.12 eV; Ge: 0.67 eV), דבר המגביל את סבילות המתח ואת הביצועים בתדרים גבוהים.
יישומים: מעגלים משולבים, תאים סולאריים, התקני מתח נמוך/תדר נמוך.
מניע מעבר: הביקוש הגובר לביצועים בתדר גבוה/טמפרטורה גבוהה באופטואלקטרוניקה עלה על יכולות הסיליקון.

מוליכים למחצה מהדור השני: מהפכת התרכובות III-V

מאפיינים: תרכובות III-V כמו גליום ארסניד (GaAs) ואינדיום פוספיד (InP) מתאפיינות בפערי אנרגיה רחבים יותר (GaAs: 1.42 eV) וניידות אלקטרונים גבוהה עבור יישומים RF ופוטוניים.
יישומים: מכשירי RF 5G, דיודות לייזר, תקשורת לוויינית.
אתגרים: מחסור בחומרים (שפע אינדיום: 0.001%), יסודות רעילים (ארסן) ועלויות ייצור גבוהות.
מניע מעבר: יישומי אנרגיה/הספק דרשו חומרים עם מתחי פריצה גבוהים יותר.

מוליכים למחצה דור שלישי: מהפכת אנרגיה עם פער פס רחב

מאפיינים: סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) מספקים פערי אנרגיה >3eV (SiC:3.2eV; GaN:3.4eV), עם מוליכות תרמית ומאפייני תדר גבוה מעולים.
יישומים: מערכת הנעה לרכבים חשמליים, ממירים פוטו-וולטאיים, תשתית 5G.
יתרונות: חיסכון באנרגיה של 50%+ והפחתת גודל של 70% לעומת סיליקון.
מניע מעבר: בינה מלאכותית/מחשוב קוונטי דורש חומרים בעלי מדדי ביצועים קיצוניים.

מוליכים למחצה מהדור הרביעי: גבול פער אנרגיה רחב במיוחד

מאפיינים: תחמוצת גליום (Ga₂O₃) ויהלום (C) משיגים פערי אנרגיה של עד 4.8eV, ומשלבים התנגדות הפעלה נמוכה במיוחד עם סבילות מתח ברמת kV.
יישומים: מעגלים משולבים (ICs) במתח אולטרה-גבוה, גלאי UV עמוק, תקשורת קוונטית.
פריצות דרך: התקני Ga₂O₃ עומדים בטמפרטורה של >8kV, ומשלשים את יעילות ה-SiC.
לוגיקה אבולוציונית: נדרשות קפיצות ביצועים בקנה מידה קוונטי כדי להתגבר על מגבלות פיזיות.

א. מגמות מוליכים למחצה של הדור החמישי: חומרים קוונטיים וארכיטקטורות דו-ממדיות

וקטורי פיתוח פוטנציאליים כוללים:

1. מבודדים טופולוגיים: הולכה עילית עם בידוד בתפזורת מאפשרת אלקטרוניקה ללא הפסדים.

2. חומרים דו-ממדיים: גרפן/MoS₂ מציעים תגובת תדר THz ותאימות אלקטרונית גמישה.

3. נקודות קוונטיות וגבישים פוטוניים: הנדסת פער אנרגיה מאפשרת אינטגרציה אופטואלקטרונית-תרמית.

4. ביו-מוליכים למחצה: חומרים מבוססי DNA/חלבון בעלי יכולת הרכבה עצמית מגשרים בין ביולוגיה לאלקטרוניקה.

5. גורמים מרכזיים: בינה מלאכותית, ממשקי מוח-מחשב ודרישות למוליכות-על בטמפרטורת החדר.

II. הזדמנויות מוליכים למחצה בסין: ממוביל למנהיג

1. פריצות דרך טכנולוגיות
• דור שלישי: ייצור המוני של מצעי SiC בגודל 8 אינץ'; טרנזיסטורי MOSFET SiC ברמת רכב ברכבי BYD
• דור רביעי: פריצות דרך באפיטקסיה של Ga₂O₃ בגודל 8 אינץ' על ידי XUPT ו-CETC46

2. תמיכה במדיניות
• תוכנית החומש ה-14 נותנת עדיפות למוליכים למחצה מדור שלישי
• הוקמו קרנות תעשייתיות פרובינציאליות בשווי מאה מיליארד יואן

• אבני דרך: התקני GaN בגודל 6-8 אינץ' וטרנזיסטורים Ga₂O₃ נכללו בין 10 ההתקדמות הטכנולוגית המובילה בשנת 2024

ג. אתגרים ופתרונות אסטרטגיים

1. צווארי בקבוק טכניים
• צמיחת גבישים: תפוקה נמוכה עבור כדורי בנייה בקוטר גדול (למשל, פיצוח Ga₂O₃)
• סטנדרטים לאמינות: היעדר פרוטוקולים מבוססים לבדיקות הזדקנות בהספק גבוה/תדר גבוה

2. פערים בשרשרת האספקה
• ציוד: פחות מ-20% תכולה מקומית עבור מגדלי גבישי SiC
• אימוץ: העדפה לרכיבים מיובאים במורד הזרם

3. נתיבים אסטרטגיים

• שיתוף פעולה בין תעשייה לאקדמיה: מבוסס על "ברית מוליכים למחצה מהדור השלישי"

• מיקוד נישה: מתן עדיפות לשווקי תקשורת קוונטית/אנרגיה חדשים

• פיתוח כישרונות: הקמת תוכניות אקדמיות של "מדע והנדסת שבבים"

מסיליקון ועד Ga₂O₃, התפתחות המוליכים למחצה מתארת ​​את ניצחונה של האנושות על פני המגבלות הפיזיות. ההזדמנות של סין טמונה בשליטה בחומרים מהדור הרביעי תוך חלוצה בחדשנות מהדור החמישי. כפי שציין האקדמאי יאנג דרן: "חדשנות אמיתית דורשת יציאה של נתיבים לא ידועים." הסינרגיה של מדיניות, הון וטכנולוגיה תקבע את גורל המוליכים למחצה של סין.

XKH התפתחה כספקית פתרונות משולבים אנכית המתמחה בחומרי מוליכים למחצה מתקדמים על פני דורות טכנולוגיים מרובים. עם יכולות ליבה המשתרעות על פני גידול גבישים, עיבוד מדויק וטכנולוגיות ציפוי פונקציונליות, XKH מספקת מצעים בעלי ביצועים גבוהים ופלים אפיטקסיאליים עבור יישומים חדשניים באלקטרוניקת הספק, תקשורת RF ומערכות אופטואלקטרוניות. מערכת הייצור שלנו כוללת תהליכים קנייניים לייצור ופלים של סיליקון קרביד וגליום ניטריד בגודל 4-8 אינץ' עם בקרת פגמים מובילה בתעשייה, תוך שמירה על תוכניות מחקר ופיתוח פעילות בחומרים מתפתחים בעלי פער אנרגיה רחב במיוחד, כולל מוליכים למחצה של גליום תחמוצת ומוליכים למחצה של יהלום. באמצעות שיתופי פעולה אסטרטגיים עם מוסדות מחקר ויצרני ציוד מובילים, XKH פיתחה פלטפורמת ייצור גמישה המסוגלת לתמוך הן בייצור בנפח גבוה של מוצרים סטנדרטיים והן בפיתוח מיוחד של פתרונות חומרים מותאמים אישית. המומחיות הטכנית של XKH מתמקדת בטיפול באתגרים קריטיים בתעשייה, כגון שיפור אחידות הופלים עבור התקני הספק, שיפור ניהול תרמי ביישומי RF ופיתוח הטרו-מבנים חדשניים עבור התקני פוטוניים מהדור הבא. על ידי שילוב של מדע חומרים מתקדם עם יכולות הנדסה מדויקת, XKH מאפשר ללקוחות להתגבר על מגבלות ביצועים ביישומים בתדר גבוה, בהספק גבוה ובסביבות קיצוניות, תוך תמיכה במעבר של תעשיית המוליכים למחצה המקומית לעצמאות גדולה יותר בשרשרת האספקה.

להלן פרוסות ספיר בגודל 12 אינץ' ומצע SiC בגודל 12 אינץ' של XKH: