Halvledare utgör hörnstenen i informationsåldern, där varje materialiteration omdefinierar gränserna för mänsklig teknologi. Från första generationens kiselbaserade halvledare till dagens fjärde generationens material med ultrabrett bandgap har varje evolutionärt språng drivit transformativa framsteg inom kommunikation, energi och databehandling. Genom att analysera egenskaperna och generationsövergångslogiken hos befintliga halvledarmaterial kan vi förutsäga potentiella riktningar för femte generationens halvledare samtidigt som vi utforskar Kinas strategiska vägar inom denna konkurrensutsatta arena.
I. Egenskaper och evolutionär logik för fyra halvledargenerationer
Första generationens halvledare: Kisel-germanium-grundens era
Egenskaper: Elementära halvledare som kisel (Si) och germanium (Ge) erbjuder kostnadseffektivitet och mogna tillverkningsprocesser, men lider av smala bandgap (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), vilket begränsar spänningstolerans och högfrekvensprestanda.
Användningsområden: Integrerade kretsar, solceller, lågspännings-/lågfrekvenskomponenter.
Övergångsdrivare: Den växande efterfrågan på högfrekvent/högtemperaturprestanda inom optoelektronik överträffade kisels kapacitet.
Andra generationens halvledare: III-V-föreningsrevolutionen
Egenskaper: III-V-föreningar som galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP) har bredare bandgap (GaAs: 1,42 eV) och hög elektronmobilitet för RF- och fotoniska tillämpningar.
Tillämpningar: 5G RF-enheter, laserdioder, satellitkommunikation.
Utmaningar: Materialbrist (indiumhalt: 0,001 %), giftiga ämnen (arsenik) och höga produktionskostnader.
Övergångsdrivare: Energi-/kraftapplikationer krävde material med högre genombrottsspänningar.
Tredje generationens halvledare: Energirevolution med brett bandgap
Egenskaper: Kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) ger bandgap >3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV), med överlägsen värmeledningsförmåga och högfrekventa egenskaper.
Tillämpningar: Drivlinor för elbilar, PV-växelriktare, 5G-infrastruktur.
Fördelar: 50%+ energibesparingar och 70% storleksminskning jämfört med kisel.
Övergångsdrivkraft: AI/kvantberäkning kräver material med extrema prestandamått.
Fjärde generationens halvledare: Ultrabred bandgapgräns
Egenskaper: Galliumoxid (Ga₂O₃) och diamant (C) uppnår bandgap upp till 4,8 eV, vilket kombinerar ultralågt on-motstånd med spänningstolerans i kV-klass.
Tillämpningar: Ultrahögspännings-IC:er, djupa UV-detektorer, kvantkommunikation.
Genombrott: Ga₂O₃-komponenter klarar >8 kV, vilket tredubblar SiC:s effektivitet.
Evolutionär logik: Prestandasprång i kvantskala behövs för att övervinna fysiska begränsningar.
I. Trender inom femte generationens halvledare: Kvantmaterial och 2D-arkitekturer
Potentiella utvecklingsvektorer inkluderar:
1. Topologiska isolatorer: Ytledning med bulkisolering möjliggör förlustfri elektronik.
2. 2D-material: Grafen/MoS₂ erbjuder THz-frekvensrespons och flexibel elektronikkompatibilitet.
3. Kvantprickar och fotoniska kristaller: Bandgapteknik möjliggör optoelektronisk-termisk integration.
4. Biohalvledare: DNA/proteinbaserade självorganiserande material förenar biologi och elektronik.
5. Viktiga drivkrafter: AI, gränssnitt mellan hjärna och dator och krav på supraledningsförmåga vid rumstemperatur.
II. Kinas möjligheter inom halvledarbranschen: Från följare till ledare
1. Tekniska genombrott
• 3:e generationen: Massproduktion av 8-tums SiC-substrat; SiC MOSFET-transistorer av bilkvalitet i BYD-fordon
• 4:e generationen: Genombrott inom 8-tums Ga₂O₃-epitaxi med XUPT och CETC46
2. Policystöd
• 14:e femårsplanen prioriterar tredje generationens halvledare
• Provinsiella industrifonder på hundra miljarder yuan etablerade
• Milstolpar 6–8-tums GaN-enheter och Ga₂O₃-transistorer listade bland de 10 främsta tekniska framstegen 2024
III. Utmaningar och strategiska lösningar
1. Tekniska flaskhalsar
• Kristalltillväxt: Lågt utbyte för boules med stor diameter (t.ex. Ga₂O₃-krackning)
• Tillförlitlighetsstandarder: Brist på etablerade protokoll för åldrandetester med hög effekt/hög frekvens
2. Brister i leveranskedjan
• Utrustning: <20 % inhemskt innehåll för SiC-kristallodlare
• Implementering: Nedströmspreferens för importerade komponenter
3. Strategiska vägar
• Samarbete mellan industri och akademi: Modellerat efter "Third-Gen Semiconductor Alliance"
• Nischfokus: Prioritera kvantkommunikation/nya energimarknader
• Talangutveckling: Etablera akademiska program för "Chip Science & Engineering"
Från kisel till Ga₂O₃ skildrar halvledarutvecklingen mänsklighetens triumf över fysiska begränsningar. Kinas möjlighet ligger i att bemästra fjärde generationens material samtidigt som man banar väg för femte generationens innovationer. Som akademikern Yang Deren noterade: ”Sann innovation kräver att man går outforskade vägar.” Synergin mellan politik, kapital och teknologi kommer att avgöra Kinas halvledaröde.
XKH har framstått som en vertikalt integrerad lösningsleverantör som specialiserar sig på avancerade halvledarmaterial över flera teknologigenerationer. Med kärnkompetenser som spänner över kristalltillväxt, precisionsbearbetning och funktionella beläggningstekniker levererar XKH högpresterande substrat och epitaxiella wafers för banbrytande tillämpningar inom kraftelektronik, RF-kommunikation och optoelektroniska system. Vårt tillverkningsekosystem omfattar proprietära processer för att producera 4-8-tums kiselkarbid- och galliumnitridwafers med branschledande defektkontroll, samtidigt som vi upprätthåller aktiva FoU-program inom nya material med ultrabrett bandgap, inklusive galliumoxid- och diamanthalvledare. Genom strategiska samarbeten med ledande forskningsinstitutioner och utrustningstillverkare har XKH utvecklat en flexibel produktionsplattform som kan stödja både högvolymstillverkning av standardiserade produkter och specialiserad utveckling av anpassade materiallösningar. XKHs tekniska expertis fokuserar på att hantera kritiska branschutmaningar, såsom att förbättra waferuniformiteten för kraftkomponenter, förbättra termisk hantering i RF-applikationer och utveckla nya heterostrukturer för nästa generations fotoniska komponenter. Genom att kombinera avancerad materialvetenskap med precisionsteknik gör XKH det möjligt för kunder att övervinna prestandabegränsningar i högfrekventa, högeffekts- och extrema miljöapplikationer, samtidigt som det stöder den inhemska halvledarindustrins övergång mot större oberoende i leveranskedjan.
Följande är XKH:s 12-tums safirskivor och 12-tums SiC-substrat:
Publiceringstid: 6 juni 2025