Chất bán dẫn đóng vai trò là nền tảng của thời đại thông tin, với mỗi lần lặp lại vật liệu định nghĩa lại ranh giới của công nghệ con người. Từ chất bán dẫn dựa trên silicon thế hệ đầu tiên đến vật liệu băng thông siêu rộng thế hệ thứ tư ngày nay, mỗi bước tiến hóa đều thúc đẩy những tiến bộ mang tính chuyển đổi trong truyền thông, năng lượng và điện toán. Bằng cách phân tích các đặc điểm và logic chuyển đổi thế hệ của các vật liệu bán dẫn hiện có, chúng ta có thể dự đoán các hướng tiềm năng cho chất bán dẫn thế hệ thứ năm trong khi khám phá các con đường chiến lược của Trung Quốc trong đấu trường cạnh tranh này.
I. Đặc điểm và logic tiến hóa của bốn thế hệ bán dẫn
Chất bán dẫn thế hệ đầu tiên: Kỷ nguyên nền tảng Silic-Germanium
Đặc điểm: Các chất bán dẫn nguyên tố như silicon (Si) và germani (Ge) có hiệu quả về mặt chi phí và quy trình sản xuất hoàn thiện, nhưng lại có khoảng cách băng hẹp (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), hạn chế khả năng chịu điện áp và hiệu suất tần số cao.
Ứng dụng: Mạch tích hợp, pin mặt trời, thiết bị điện áp thấp/tần số thấp.
Động lực chuyển đổi: Nhu cầu ngày càng tăng về hiệu suất tần số cao/nhiệt độ cao trong quang điện tử đã vượt quá khả năng của silicon.
Chất bán dẫn thế hệ thứ hai: Cuộc cách mạng hợp chất III-V
Đặc điểm: Các hợp chất III-V như gali arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP) có khoảng cách dải rộng hơn (GaAs: 1,42 eV) và tính di động điện tử cao cho các ứng dụng RF và photonic.
Ứng dụng: Thiết bị RF 5G, điốt laser, truyền thông vệ tinh.
Thách thức: Thiếu hụt vật liệu (tỷ lệ indi cao: 0,001%), các nguyên tố độc hại (asen) và chi phí sản xuất cao.
Trình điều khiển chuyển tiếp: Các ứng dụng năng lượng/điện năng đòi hỏi vật liệu có điện áp đánh thủng cao hơn.
Chất bán dẫn thế hệ thứ ba: Cuộc cách mạng năng lượng băng thông rộng
Đặc điểm: Silicon carbide (SiC) và gali nitride (GaN) cung cấp khoảng cách dải >3eV (SiC:3,2eV; GaN:3,4eV), có độ dẫn nhiệt vượt trội và đặc tính tần số cao.
Ứng dụng: Hệ thống truyền động EV, bộ biến tần PV, cơ sở hạ tầng 5G.
Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng hơn 50% và giảm kích thước 70% so với silicon.
Trình điều khiển chuyển đổi: AI/máy tính lượng tử đòi hỏi vật liệu có chỉ số hiệu suất cực cao.
Chất bán dẫn thế hệ thứ tư: Biên giới băng thông cực rộng
Đặc điểm: Gali oxit (Ga₂O₃) và kim cương (C) đạt được khoảng cách dải lên tới 4,8eV, kết hợp điện trở cực thấp với dung sai điện áp cấp kV.
Ứng dụng: IC điện áp cực cao, máy dò tia cực tím sâu, truyền thông lượng tử.
Đột phá: Thiết bị Ga₂O₃ chịu được >8kV, tăng gấp ba hiệu suất của SiC.
Logic tiến hóa: Cần có bước nhảy vọt về hiệu suất ở quy mô lượng tử để vượt qua giới hạn vật lý.
I. Xu hướng bán dẫn thế hệ thứ năm: Vật liệu lượng tử và kiến trúc 2D
Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm:
1. Chất cách điện tôpô: Dẫn điện bề mặt với lớp cách điện khối cho phép thiết bị điện tử không bị tổn thất.
2. Vật liệu 2D: Graphene/MoS₂ cung cấp đáp ứng tần số THz và khả năng tương thích điện tử linh hoạt.
3. Chấm lượng tử và tinh thể quang tử: Kỹ thuật khoảng cách băng thông cho phép tích hợp quang điện tử-nhiệt.
4. Chất bán dẫn sinh học: Vật liệu tự lắp ráp dựa trên DNA/protein tạo cầu nối giữa sinh học và điện tử.
5. Động lực chính: AI, giao diện não-máy tính và nhu cầu về siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
II. Cơ hội cho ngành bán dẫn của Trung Quốc: Từ người theo sau đến người dẫn đầu
1. Đột phá công nghệ
• Thế hệ thứ 3: Sản xuất hàng loạt các tấm nền SiC 8 inch; MOSFET SiC cấp ô tô trong xe BYD
• Thế hệ thứ 4: Đột phá về epitaxy Ga₂O₃ 8 inch của XUPT và CETC46
2. Hỗ trợ chính sách
• Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 ưu tiên chất bán dẫn thế hệ thứ 3
• Thành lập quỹ công nghiệp hàng trăm tỷ nhân dân tệ của tỉnh
• Các thiết bị GaN 6-8 inch và bóng bán dẫn Ga₂O₃ được liệt kê trong số 10 tiến bộ công nghệ hàng đầu năm 2024
III. Thách thức và giải pháp chiến lược
1. Nút thắt kỹ thuật
• Sự phát triển của tinh thể: Năng suất thấp đối với các khối tròn có đường kính lớn (ví dụ, nứt Ga₂O₃)
• Tiêu chuẩn độ tin cậy: Thiếu các giao thức được thiết lập cho các thử nghiệm lão hóa công suất cao/tần số cao
2. Khoảng cách trong chuỗi cung ứng
• Thiết bị: <20% nội dung trong nước cho nhà sản xuất tinh thể SiC
• Áp dụng: Ưu tiên hạ nguồn cho các thành phần nhập khẩu
3. Con đường chiến lược
• Hợp tác giữa ngành công nghiệp và học viện: Mô phỏng theo “Liên minh bán dẫn thế hệ thứ ba”
• Tập trung vào ngách: Ưu tiên truyền thông lượng tử/thị trường năng lượng mới
• Phát triển tài năng: Thiết lập các chương trình học thuật “Khoa học và Kỹ thuật Chip”
Từ silicon đến Ga₂O₃, quá trình tiến hóa của chất bán dẫn ghi lại chiến thắng của nhân loại trước các giới hạn vật lý. Cơ hội của Trung Quốc nằm ở việc làm chủ các vật liệu thế hệ thứ tư trong khi tiên phong trong các cải tiến thế hệ thứ năm. Như Viện sĩ Yang Deren đã lưu ý: "Sự đổi mới thực sự đòi hỏi phải tạo ra những con đường chưa từng đi qua". Sự kết hợp giữa chính sách, vốn và công nghệ sẽ quyết định số phận của chất bán dẫn Trung Quốc.
XKH đã nổi lên như một nhà cung cấp giải pháp tích hợp theo chiều dọc chuyên về vật liệu bán dẫn tiên tiến trên nhiều thế hệ công nghệ. Với năng lực cốt lõi bao gồm tăng trưởng tinh thể, xử lý chính xác và công nghệ phủ chức năng, XKH cung cấp các chất nền hiệu suất cao và tấm wafer epitaxial cho các ứng dụng tiên tiến trong điện tử công suất, truyền thông RF và hệ thống quang điện tử. Hệ sinh thái sản xuất của chúng tôi bao gồm các quy trình độc quyền để sản xuất tấm wafer silicon carbide và gali nitride 4-8 inch với khả năng kiểm soát khuyết tật hàng đầu trong ngành, đồng thời duy trì các chương trình R&D tích cực trong các vật liệu có khoảng cách dải cực rộng mới nổi bao gồm gali oxit và chất bán dẫn kim cương. Thông qua sự hợp tác chiến lược với các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị hàng đầu, XKH đã phát triển một nền tảng sản xuất linh hoạt có khả năng hỗ trợ cả sản xuất khối lượng lớn các sản phẩm tiêu chuẩn hóa và phát triển chuyên biệt các giải pháp vật liệu tùy chỉnh. Chuyên môn kỹ thuật của XKH tập trung vào việc giải quyết các thách thức quan trọng của ngành như cải thiện tính đồng nhất của tấm wafer cho các thiết bị điện, tăng cường quản lý nhiệt trong các ứng dụng RF và phát triển các cấu trúc dị thể mới cho các thiết bị quang tử thế hệ tiếp theo. Bằng cách kết hợp khoa học vật liệu tiên tiến với khả năng kỹ thuật chính xác, XKH giúp khách hàng khắc phục những hạn chế về hiệu suất trong các ứng dụng tần số cao, công suất cao và môi trường khắc nghiệt, đồng thời hỗ trợ ngành công nghiệp bán dẫn trong nước chuyển đổi sang tính độc lập cao hơn trong chuỗi cung ứng.
Sau đây là tấm wafer sapphire 12 inch và tấm nền SiC 12 inch của XKH:
Thời gian đăng: 06-06-2025