Previsões e desafios dos materiais semicondutores de quinta geração
Os semicondutores são a pedra angular da era da informação, e a iteração dos materiais semicondutores define diretamente os limites do avanço tecnológico humano.Da primeira geração de semicondutores à base de silício para os materiais de banda larga de quarta geração de hoje, cada onda de inovação impulsionou o desenvolvimento de salto em comunicações, energia, computação e outros campos.
Analisando as características e a lógica de substituição geracional de quatro gerações de materiais semicondutores,Podemos inferir as possíveis direcções para semicondutores de quinta geração e discutir o caminho da China neste domínio.
I. Características de Quatro Gerações de Materiais Semicondutores e Lógica de Substituição Geracional
Semicondutores de primeira geração:
A "Era Fundamental" do Silício e do Germânio
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Características:Representados por semicondutores elementares como o silício (Si) e o germânio (Ge), ofereciam vantagens como baixo custo, processamento maduro e alta confiabilidade.foram limitadas por bandas relativamente estreitas (SiA resistência da tensão é muito baixa, com um desempenho de alta frequência insuficiente.
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Aplicações:Circuitos integrados, células solares, dispositivos de baixa tensão e baixa frequência.
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Motivo da substituição:À medida que a demanda por desempenho de alta frequência e alta temperatura nas comunicações e na optoeletrônica aumentou, os materiais à base de silício não podiam mais atender aos requisitos.
Semicondutores de segunda geração:
A "revolução optoeletrônica" dos semicondutores compostos
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Características:Representado por semicondutores compostos III-V, tais como arsênio de gálio (GaAs) efosfeto de ínio (InP), estes materiais possuem intervalos de banda mais largos (GaAs: 1,42 eV) e alta mobilidade eletrônica, tornando-os adequados para aplicações de alta frequência e optoeletrônica.
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Aplicações:Dispositivos de 5G, lasers, comunicações por satélite.
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Desafios:A escassez de materiais (por exemplo, a abundância de ínio é de apenas 0,001%) e os altos custos de fabricação, com elementos tóxicos (como o arsênico) envolvidos.
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Motivo da substituição:O surgimento de novos equipamentos de energia e de alta tensão exigia ainda mais resistência e eficiência de tensão, levando ao surgimento de materiais de banda larga.
Semicondutores de terceira geração:
A "revolução energética" dos materiais de banda larga
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Características:Centrados em torno do carburo de silício (SiC) e nitruro de gálio (GaN), estes materiais oferecem bandas significativamente mais largas (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), campos elétricos de alta degradação,Alta condutividade térmica, e desempenho superior de alta frequência.
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Aplicações:Sistemas de propulsão elétrica em veículos de energia nova, inversores fotovoltaicos, estações base 5G.
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Vantagens:Em comparação com os dispositivos à base de silício, eles reduzem o consumo de energia em mais de 50% e encolhem o volume do dispositivo em 70%.
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Motivo da substituição:Campos emergentes como inteligência artificial e computação quântica exigiram materiais com desempenho ainda maior, levando ao advento de materiais de banda larga.
Semicondutores de quarta geração:
O "desenvolvimento extremo" dos materiais de banda larga
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Características:Representado por:(Ga2O3) e diamante (C), estes materiais estendem ainda mais a faixa (Ga2O3: 4,8 eV), oferecendo resistência de condução ultra-baixa, resistência a tensão ultra-alta e potencial significativo de redução de custos.
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Aplicações:Chips de energia de ultra-alta tensão, detectores UV profundos, dispositivos de comunicação quântica.
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Descobertas:Os dispositivos de óxido de gálio podem suportar tensões superiores a 8000V, com uma eficiência triplicada em comparação com os dispositivos de SiC.
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Lógica de substituição:À medida que as demandas globais de poder de computação e eficiência energética se aproximam dos limites físicos, os novos materiais devem alcançar saltos de desempenho na escala quântica.
II. Tendências para os semicondutores de quinta geração:
O "Projeto Futuro" dos Materiais Quânticos e das Estruturas Bi-Dimensionais
Se o caminho evolutivo de "expansão da banda + integração funcional" continuar, os semicondutores de quinta geração podem se concentrar nas seguintes direções:
Isoladores topológicos:
Materiais que são condutores na superfície, mas isoladores por dentro,permitindo a construção de dispositivos eletrónicos com perda de energia zero e superando o gargalo da geração de calor dos semicondutores tradicionais.
Materiais bidimensionais
Materiais como o grafeno e o dissulfeto de molibdênio (MoS2), cuja espessura a nível atómico permite uma resposta de ultra-alta frequência e potencial para eletrónica flexível.
Pontos quânticos e cristais fotónicos:
Utilizando efeitos de confinamento quântico para regular a estrutura da banda de energia, alcançando a integração multifuncional de luz, eletricidade e calor.
Biossemicondutores:
Materiais auto-montados baseados em ADN ou proteínas, compatíveis com sistemas biológicos e circuitos electrónicos.
Forças motrizes essenciais:
As demandas tecnológicas disruptivas, como a inteligência artificial, as interfaces cérebro-computador e a supercondutividade à temperatura ambiente,estão a impulsionar os semicondutores para uma evolução inteligente e biocompativel.
III. Oportunidades da China:
De "seguir" para "correr lado a lado"
Descobertas tecnológicas e implantação da cadeia industrial
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Semicondutores de terceira geração:
A China alcançou a produção em massa de substratos de SiC de 8 polegadas, com MOSFETs SiC de grau automotivo implantados com sucesso por fabricantes de automóveis como a BYD.
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Semicondutores de quarta geração:
Instituições como a Universidade de Correios e Telecomunicações de Xi'an e o Instituto CETC 46 avançaram na tecnologia de epitaxia de óxido de gálio de 8 polegadas, juntando-se às fileiras dos principais players do mundo.
Apoio político e de capital
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O "14o Plano Quinquenal" nacional designa os semicondutores de terceira geração como uma área chave.
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Os governos locais criaram fundos industriais no valor de centenas de bilhões de yuans.
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Nos 10 Melhores Avanços Tecnológicos de 2024, foram reconhecidas realizações como dispositivos GaN de 6 ′′ 8 polegadas e transistores de óxido de gálio, indicando avanços completos na cadeia de suprimentos.
IV. Desafios e caminhos para o avanço
Engarrafamentos técnicos
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Preparação do material:
O crescimento de cristal único de grande diâmetro tem baixas taxas de rendimento (por exemplo, o óxido de gálio é propenso a rachaduras) e o controle de defeitos é extremamente desafiador.
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Confiabilidade do dispositivo:
Os padrões para testes de vida útil em condições de alta frequência e alta tensão ainda não estão totalmente estabelecidos e as certificações de nível automotivo são longas.
Deficiências da cadeia industrial
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Dependência de equipamentos importados de alta qualidade:
Por exemplo, as taxas de produção doméstica de fornos de crescimento de cristais de SiC são inferiores a 20%.
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Ecossistema de aplicação fraco:
As empresas a jusante ainda preferem dispositivos importados; a substituição doméstica exigirá orientações políticas.
Abordagens estratégicas de desenvolvimento
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Eu...Colaboração indústria-universidade-investigação:
Aprenda com modelos como a Aliança de Semicondutores de Terceira Geração," abordar conjuntamente as tecnologias essenciais através da colaboração entre universidades (como a Universidade de Zhejiang e o Instituto de Tecnologia de Ningbo) e empresas.
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Concorrência diferenciada:
Concentrar-se em mercados incrementais como a nova energia e as comunicações quânticas para evitar o confronto direto com gigantes da indústria tradicional.
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Cultivação de Talentos:
Estabelecer fundos especiais para atrair os melhores estudiosos do exterior e promover o desenvolvimento de disciplinas como "Chip Science and Engineering".
Do silício ao óxido de gálio, a evolução dos semicondutores é uma saga da humanidade desafiando os limites da física.
Se a China conseguir aproveitar a oportunidade que a quarta geração de semicondutores oferece e posicionar-se estrategicamente para os materiais da quinta geração,Pode alcançar um "excedente de mudança de faixa" na corrida tecnológica global.
Como disse o acadêmico Yang Deren: "A verdadeira inovação requer a coragem de trilhar caminhos não trilhados".
Neste caminho, a ressonância da política, do capital e da tecnologia determinará o futuro da indústria de semicondutores da China e sua jornada para as estrelas e o mar.
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