การคาดการณ์และความท้าทายสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ห้า

สารกึ่งตัวนำถือเป็นเสาหลักของยุคข้อมูล โดยวัสดุแต่ละชนิดจะกำหนดขอบเขตของเทคโนโลยีของมนุษย์ใหม่ ตั้งแต่สารกึ่งตัวนำซิลิกอนรุ่นแรกไปจนถึงวัสดุที่มีแบนด์แก็ปกว้างพิเศษรุ่นที่สี่ในปัจจุบัน ความก้าวหน้าทางวิวัฒนาการแต่ละครั้งล้วนขับเคลื่อนให้เกิดความก้าวหน้าที่เปลี่ยนแปลงไปในด้านการสื่อสาร พลังงาน และการคำนวณ ด้วยการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะและตรรกะการเปลี่ยนผ่านรุ่นของวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีอยู่ เราสามารถคาดการณ์ทิศทางที่เป็นไปได้สำหรับสารกึ่งตัวนำรุ่นที่ห้าได้ ในขณะที่สำรวจเส้นทางเชิงกลยุทธ์ของจีนในเวทีการแข่งขันนี้

I. ลักษณะเฉพาะและตรรกะเชิงวิวัฒนาการของสารกึ่งตัวนำสี่รุ่น

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก: ยุคแห่งการก่อตั้งซิลิคอน-เจอร์เมเนียม

คุณลักษณะ: สารกึ่งตัวนำธาตุ เช่น ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) มีประสิทธิภาพคุ้มทุนและกระบวนการผลิตที่ครบวงจร แต่ยังมีแบนด์แก๊ปที่แคบ (Si: 1.12 eV; Ge: 0.67 eV) ความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่จำกัด และประสิทธิภาพความถี่สูง
การใช้งาน: วงจรรวม เซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์แรงดันต่ำ/ความถี่ต่ำ
ปัจจัยขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลง: ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความถี่สูง/อุณหภูมิสูงในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แซงหน้าขีดความสามารถของซิลิกอน

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง: การปฏิวัติสารประกอบ III-V

ลักษณะเฉพาะ: สารประกอบ III-V เช่น แกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) มีแบนด์แกปที่กว้างขึ้น (GaAs: 1.42 eV) และมีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงสำหรับการใช้งาน RF และโฟโตนิกส์
การใช้งาน: อุปกรณ์ RF 5G, ไดโอดเลเซอร์, การสื่อสารผ่านดาวเทียม
ความท้าทาย: ขาดแคลนวัสดุ (อินเดียมมีมาก: 0.001%) ธาตุที่เป็นพิษ (สารหนู) และต้นทุนการผลิตสูง
ไดรเวอร์การเปลี่ยนผ่าน: การใช้งานด้านพลังงาน/ไฟฟ้าต้องการวัสดุที่มีแรงดันไฟฟ้าพังทลายที่สูงกว่า

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม: การปฏิวัติพลังงานด้วยแบนด์แก็ปกว้าง

คุณลักษณะ: ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกเลียมไนไตรด์ (GaN) ให้แบนด์แกป >3eV (SiC:3.2eV; GaN:3.4eV) โดยมีการนำความร้อนที่เหนือกว่าและลักษณะความถี่สูง
การใช้งาน: ระบบส่งกำลัง EV, อินเวอร์เตอร์ PV, โครงสร้างพื้นฐาน 5G
ข้อดี: ประหยัดพลังงานมากกว่า 50% และลดขนาดลง 70% เมื่อเทียบกับซิลิกอน
ตัวขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลง: การประมวลผล AI/ควอนตัมต้องใช้สื่อที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่: ขอบเขตแบนด์แก๊ปที่กว้างเป็นพิเศษ

คุณลักษณะ: แกเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชร (C) ทำให้เกิดแบนด์แก๊ปได้สูงถึง 4.8eV โดยผสมผสานความต้านทานการเปิดที่ต่ำเป็นพิเศษเข้ากับความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้าระดับ kV
การใช้งาน: ไอซีแรงดันไฟฟ้าสูงมาก, เครื่องตรวจจับรังสี UV เชิงลึก, การสื่อสารเชิงควอนตัม
ความก้าวหน้า: อุปกรณ์ Ga₂O₃ ทนทานต่อ >8kV ทำให้ประสิทธิภาพของ SiC เพิ่มขึ้นสามเท่า
ตรรกะเชิงวิวัฒนาการ: จำเป็นต้องมีการก้าวกระโดดด้านประสิทธิภาพในระดับควอนตัมเพื่อเอาชนะขีดจำกัดทางกายภาพ

I. แนวโน้มของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ 5: วัสดุควอนตัมและสถาปัตยกรรม 2 มิติ

เวกเตอร์การพัฒนาที่มีศักยภาพ ได้แก่:

1. ฉนวนโทโพโลยี: การนำความร้อนบนพื้นผิวด้วยฉนวนจำนวนมากทำให้สูญเสียชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นศูนย์

2. วัสดุ 2 มิติ: กราฟีน/MoS2 ตอบสนองความถี่ THz และเข้ากันได้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างยืดหยุ่น

3. จุดควอนตัมและคริสตัลโฟโตนิก: วิศวกรรมแบนด์แก๊ปช่วยให้บูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับความร้อนได้

4. ไบโอเซมิคอนดักเตอร์: วัสดุประกอบตัวเองจาก DNA/โปรตีนเป็นสะพานเชื่อมระหว่างชีววิทยาและอิเล็กทรอนิกส์

5. ปัจจัยสำคัญ: AI อินเทอร์เฟซสมอง-คอมพิวเตอร์ และความต้องการด้านการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

II. โอกาสด้านเซมิคอนดักเตอร์ของจีน: จากผู้ตามสู่ผู้นำ

1. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
• รุ่นที่ 3: การผลิตจำนวนมากของซับสเตรต SiC ขนาด 8 นิ้ว; MOSFET SiC เกรดยานยนต์ในยานพาหนะ BYD
• รุ่นที่ 4: ความก้าวหน้าด้านอิพิแทกซี Ga₂O₃ ขนาด 8 นิ้วโดย XUPT และ CETC46

2. การสนับสนุนนโยบาย
• แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 14 ให้ความสำคัญกับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ 3
• จัดตั้งกองทุนอุตสาหกรรมมูลค่าแสนล้านหยวนของจังหวัด

• อุปกรณ์ GaN ขนาด 6-8 นิ้วและทรานซิสเตอร์ Ga₂O₃ ติดอันดับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี 10 อันดับแรกในปี 2024

III. ความท้าทายและแนวทางแก้ไขเชิงกลยุทธ์

1. คอขวดทางเทคนิค
• การเจริญเติบโตของผลึก: ผลผลิตต่ำสำหรับลูกเปตองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ (เช่น การแตกของ Ga₂O₃)
• มาตรฐานความน่าเชื่อถือ: ขาดโปรโตคอลที่กำหนดไว้สำหรับการทดสอบอายุการใช้งานพลังงานสูง/ความถี่สูง

2. ช่องว่างในห่วงโซ่อุปทาน
• อุปกรณ์: เนื้อหาในประเทศน้อยกว่า 20% สำหรับผู้ปลูกคริสตัล SiC
• การนำไปใช้: ความต้องการปลายน้ำสำหรับส่วนประกอบนำเข้า

3. เส้นทางเชิงกลยุทธ์

• ความร่วมมือระหว่างอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษา: เป็นแบบอย่างจาก “Third-Gen Semiconductor Alliance”

• โฟกัสเฉพาะกลุ่ม: ให้ความสำคัญกับการสื่อสารเชิงควอนตัม/ตลาดพลังงานใหม่

• การพัฒนาทักษะ: จัดตั้งหลักสูตรวิชาการ “วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมชิป”

จากซิลิกอนไปจนถึง Ga₂O₃ วิวัฒนาการของเซมิคอนดักเตอร์บันทึกเรื่องราวชัยชนะของมนุษยชาติในการเอาชนะขีดจำกัดทางกายภาพ โอกาสของจีนอยู่ที่การเชี่ยวชาญวัสดุรุ่นที่สี่ในขณะที่เป็นผู้บุกเบิกนวัตกรรมรุ่นที่ห้า ดังที่นักวิชาการ Yang Deren ได้กล่าวไว้ว่า “นวัตกรรมที่แท้จริงต้องอาศัยการสร้างเส้นทางที่ไม่เคยมีใครไปมาก่อน” การทำงานร่วมกันของนโยบาย ทุน และเทคโนโลยีจะกำหนดชะตากรรมของเซมิคอนดักเตอร์ของจีน

XKH ก้าวขึ้นมาเป็นผู้ให้บริการโซลูชันแบบบูรณาการในแนวตั้งซึ่งเชี่ยวชาญด้านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงในเทคโนโลยีหลายเจเนอเรชัน ด้วยความสามารถหลักที่ครอบคลุมถึงการเติบโตของผลึก การประมวลผลที่แม่นยำ และเทคโนโลยีการเคลือบฟังก์ชัน XKH นำเสนอซับสเตรตประสิทธิภาพสูงและเวเฟอร์เอพิแทกเซียลสำหรับการใช้งานที่ล้ำสมัยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การสื่อสาร RF และระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ระบบนิเวศการผลิตของเราครอบคลุมกระบวนการเฉพาะสำหรับการผลิตเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์และแกเลียมไนไตรด์ขนาด 4-8 นิ้วพร้อมการควบคุมข้อบกพร่องที่เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม ในขณะที่ยังคงรักษาโปรแกรมวิจัยและพัฒนาที่ใช้งานอยู่ในวัสดุแบนด์แก็ปกว้างพิเศษที่เพิ่งเกิดขึ้น รวมถึงแกเลียมออกไซด์และเซมิคอนดักเตอร์เพชร ผ่านความร่วมมือเชิงกลยุทธ์กับสถาบันวิจัยชั้นนำและผู้ผลิตอุปกรณ์ XKH ได้พัฒนาแพลตฟอร์มการผลิตที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถรองรับทั้งการผลิตผลิตภัณฑ์มาตรฐานในปริมาณมาก และการพัฒนาโซลูชันวัสดุที่กำหนดเองเฉพาะทาง ความเชี่ยวชาญทางเทคนิคของ XKH มุ่งเน้นไปที่การแก้ไขปัญหาสำคัญของอุตสาหกรรม เช่น การปรับปรุงความสม่ำเสมอของเวเฟอร์สำหรับอุปกรณ์กำลัง การปรับปรุงการจัดการความร้อนในแอปพลิเคชัน RF และการพัฒนาโครงสร้างเฮเทอโรแบบใหม่สำหรับอุปกรณ์โฟโตนิกส์รุ่นต่อไป ด้วยการผสมผสานวิทยาศาสตร์วัสดุขั้นสูงกับความสามารถด้านวิศวกรรมแม่นยำ XKH จึงช่วยให้ลูกค้าสามารถเอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพในการใช้งานความถี่สูง กำลังสูง และสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ ขณะเดียวกันก็สนับสนุนการเปลี่ยนผ่านของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศไปสู่ความเป็นอิสระของห่วงโซ่อุปทานที่มากขึ้น

ต่อไปนี้เป็นเวเฟอร์แซฟไฟร์ขนาด 12 นิ้วและพื้นผิว SiC ขนาด 12 นิ้วของ XKH: