การคาดการณ์และความท้าทายสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ห้า

สารกึ่งตัวนำถือเป็นรากฐานสำคัญของยุคข้อมูลข่าวสาร โดยวัสดุแต่ละชนิดได้กำหนดขอบเขตใหม่ของเทคโนโลยีมนุษย์ ตั้งแต่สารกึ่งตัวนำซิลิคอนรุ่นแรก ไปจนถึงวัสดุแบนด์แก็ปที่กว้างมากรุ่นที่สี่ในปัจจุบัน ทุกวิวัฒนาการก้าวกระโดดได้ขับเคลื่อนความก้าวหน้าเชิงปฏิรูปในด้านการสื่อสาร พลังงาน และการประมวลผล ด้วยการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะและตรรกะการเปลี่ยนผ่านรุ่นของวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีอยู่ เราสามารถคาดการณ์ทิศทางที่เป็นไปได้ของสารกึ่งตัวนำรุ่นที่ห้า พร้อมกับสำรวจเส้นทางเชิงกลยุทธ์ของจีนในเวทีการแข่งขันนี้

I. ลักษณะเฉพาะและตรรกะเชิงวิวัฒนาการของสารกึ่งตัวนำสี่รุ่น

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก: ยุคแห่งซิลิคอน-เจอร์เมเนียม

ลักษณะเฉพาะ: สารกึ่งตัวนำธาตุ เช่น ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) มีประสิทธิภาพคุ้มต้นทุนและมีกระบวนการผลิตที่ครบวงจร แต่มีแบนด์แก๊ปที่แคบ (Si: 1.12 eV; Ge: 0.67 eV) มีความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่จำกัด และประสิทธิภาพความถี่สูง
การใช้งาน: วงจรรวม เซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์แรงดันต่ำ/ความถี่ต่ำ
ปัจจัยขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลง: ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความถี่สูง/อุณหภูมิสูงในออปโตอิเล็กทรอนิกส์แซงหน้าความสามารถของซิลิกอน

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง: การปฏิวัติสารประกอบ III-V

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

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม: การปฏิวัติพลังงานแบนด์แก็ปกว้าง

คุณลักษณะ: ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ส่งมอบแบนด์แก๊ป >3eV (SiC:3.2eV; GaN:3.4eV) ด้วยคุณสมบัติการนำความร้อนที่เหนือกว่าและคุณลักษณะความถี่สูง
การใช้งาน: ระบบส่งกำลัง EV, อินเวอร์เตอร์ PV, โครงสร้างพื้นฐาน 5G
ข้อดี: ประหยัดพลังงานมากกว่า 50% และลดขนาดลง 70% เมื่อเทียบกับซิลิกอน
ตัวขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลง: AI/การประมวลผลควอนตัมต้องใช้สื่อที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่: ขอบเขตแบนด์แก๊ปกว้างพิเศษ

คุณลักษณะ: แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชร (C) บรรลุแบนด์แก็ปได้สูงถึง 4.8eV โดยผสมผสานความต้านทานการเปิดที่ต่ำพิเศษเข้ากับความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้าระดับ kV
การใช้งาน: ไอซีแรงดันไฟฟ้าสูงพิเศษ, เครื่องตรวจจับรังสี UV เชิงลึก, การสื่อสารควอนตัม
ความก้าวหน้า: อุปกรณ์ Ga₂O₃ ทนทานต่อ >8kV ทำให้ประสิทธิภาพของ SiC เพิ่มขึ้นสามเท่า
ตรรกะเชิงวิวัฒนาการ: จำเป็นต้องมีการพัฒนาประสิทธิภาพในระดับควอนตัมเพื่อเอาชนะข้อจำกัดทางกายภาพ

I. แนวโน้มเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ 5: วัสดุควอนตัมและสถาปัตยกรรม 2 มิติ

เวกเตอร์การพัฒนาที่มีศักยภาพ ได้แก่:

1. ฉนวนโทโพโลยี: การนำความร้อนบนพื้นผิวด้วยฉนวนจำนวนมากทำให้สูญเสียพลังงานอิเล็กทรอนิกส์เป็นศูนย์

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

3. จุดควอนตัมและคริสตัลโฟโตนิกส์: วิศวกรรมแบนด์แก๊ปช่วยให้สามารถบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับความร้อนได้

4. ไบโอเซมิคอนดักเตอร์: วัสดุประกอบตัวเองจาก DNA/โปรตีนเป็นสะพานเชื่อมระหว่างชีววิทยาและอิเล็กทรอนิกส์

5. ปัจจัยขับเคลื่อนหลัก: AI อินเทอร์เฟซสมอง-คอมพิวเตอร์ และความต้องการด้านการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

II. โอกาสด้านเซมิคอนดักเตอร์ของจีน: จากผู้ตามสู่ผู้นำ

1. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
• รุ่นที่ 3: การผลิตจำนวนมากของแผ่นรองรับ SiC ขนาด 8 นิ้ว; MOSFET SiC เกรดยานยนต์ในรถยนต์ BYD
• รุ่นที่ 4: ความก้าวหน้าด้านอิพิแท็กซี Ga₂O₃ ขนาด 8 นิ้วโดย XUPT และ CETC46

2. การสนับสนุนนโยบาย
• แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 14 ให้ความสำคัญกับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ 3
• จัดตั้งกองทุนอุตสาหกรรมมูลค่าแสนล้านหยวนของจังหวัด

• อุปกรณ์ GaN ขนาด 6-8 นิ้วและทรานซิสเตอร์ Ga₂O₃ ติดอันดับ 10 ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชั้นนำในปี 2024

III. ความท้าทายและแนวทางแก้ไขเชิงกลยุทธ์

1. ปัญหาคอขวดทางเทคนิค
• การเจริญเติบโตของผลึก: ผลผลิตต่ำสำหรับลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ (เช่น การแตกของ Ga₂O₃)
• มาตรฐานความน่าเชื่อถือ: ขาดโปรโตคอลที่กำหนดไว้สำหรับการทดสอบอายุการใช้งานพลังงานสูง/ความถี่สูง

2. ช่องว่างห่วงโซ่อุปทาน
• อุปกรณ์: เนื้อหาภายในประเทศน้อยกว่า 20% สำหรับผู้ปลูกผลึก SiC
• การนำไปใช้: การเลือกส่วนประกอบนำเข้าจากต่างประเทศ

3. เส้นทางเชิงกลยุทธ์

• ความร่วมมือระหว่างอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษา: สร้างขึ้นตามแบบ “Third-Gen Semiconductor Alliance”

• โฟกัสเฉพาะกลุ่ม: ให้ความสำคัญกับการสื่อสารเชิงควอนตัม/ตลาดพลังงานใหม่

• การพัฒนาความสามารถ: จัดตั้งโครงการวิชาการ “วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมชิป”

จากซิลิคอนไปจนถึง Ga₂O₃ วิวัฒนาการของสารกึ่งตัวนำบันทึกชัยชนะของมนุษยชาติเหนือขีดจำกัดทางกายภาพ โอกาสของจีนอยู่ที่การเชี่ยวชาญวัสดุรุ่นที่สี่ ควบคู่ไปกับการบุกเบิกนวัตกรรมรุ่นที่ห้า ดังที่นักวิชาการหยาง เต๋อเหริน ได้กล่าวไว้ว่า “นวัตกรรมที่แท้จริงต้องอาศัยการสร้างเส้นทางที่ไม่เคยมีใครเดินมาก่อน” การผสมผสานกันของนโยบาย เงินทุน และเทคโนโลยีจะเป็นตัวกำหนดชะตากรรมของสารกึ่งตัวนำของจีน

XKH ก้าวขึ้นเป็นผู้ให้บริการโซลูชันแบบบูรณาการในแนวดิ่ง โดยเชี่ยวชาญด้านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงที่ครอบคลุมเทคโนโลยีหลากหลายรุ่น ด้วยความเชี่ยวชาญหลักที่ครอบคลุมการเติบโตของผลึก การประมวลผลที่แม่นยำ และเทคโนโลยีการเคลือบฟังก์ชัน XKH นำเสนอซับสเตรตประสิทธิภาพสูงและเวเฟอร์อิพิแทกเซียลสำหรับการใช้งานที่ล้ำสมัยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การสื่อสาร RF และระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ระบบนิเวศการผลิตของเราครอบคลุมกระบวนการที่เป็นกรรมสิทธิ์ของเราสำหรับการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ขนาด 4-8 นิ้ว พร้อมการควบคุมข้อบกพร่องระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม ในขณะเดียวกันก็ยังคงดำเนินโครงการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องสำหรับวัสดุที่มีแบนด์แก็ปกว้างพิเศษที่กำลังเติบโต ซึ่งรวมถึงแกลเลียมออกไซด์และเซมิคอนดักเตอร์เพชร ด้วยความร่วมมือเชิงกลยุทธ์กับสถาบันวิจัยชั้นนำและผู้ผลิตอุปกรณ์ XKH ได้พัฒนาแพลตฟอร์มการผลิตที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถรองรับทั้งการผลิตผลิตภัณฑ์มาตรฐานในปริมาณมาก และการพัฒนาโซลูชันวัสดุเฉพาะทาง ความเชี่ยวชาญทางเทคนิคของ XKH มุ่งเน้นไปที่การแก้ไขปัญหาสำคัญในอุตสาหกรรม เช่น การปรับปรุงความสม่ำเสมอของเวเฟอร์สำหรับอุปกรณ์กำลัง การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการความร้อนในการใช้งาน RF และการพัฒนาโครงสร้างเฮเทอโรสตรักเจอร์แบบใหม่สำหรับอุปกรณ์โฟโตนิกส์รุ่นต่อไป ด้วยการผสมผสานวิทยาศาสตร์วัสดุขั้นสูงกับความสามารถด้านวิศวกรรมแม่นยำ XKH ช่วยให้ลูกค้าเอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพในการใช้งานความถี่สูง กำลังสูง และสภาพแวดล้อมที่รุนแรง พร้อมทั้งสนับสนุนการเปลี่ยนผ่านของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศสู่ความเป็นอิสระของห่วงโซ่อุปทานที่มากขึ้น

ต่อไปนี้เป็นเวเฟอร์แซฟไฟร์ขนาด 12 นิ้วและซับสเตรต SiC ขนาด 12 นิ้วของ XKH: