Predicciones y desafíos de los materiales semiconductores de quinta generación
April 29, 2025
Predicciones y desafíos de los materiales semiconductores de quinta generación
Los semiconductores son la piedra angular de la era de la información, y la iteración de los materiales semiconductores define directamente los límites del avance tecnológico humano.Desde la primera generación de semiconductores basados en silicio hasta los materiales de banda ancha de cuarta generación de hoy, cada ola de innovación ha impulsado un desarrollo vertiginoso en las comunicaciones, la energía, la informática y otros campos.
Al analizar las características y la lógica de reemplazo generacional de cuatro generaciones de materiales semiconductores,Podemos deducir las posibles direcciones para semiconductores de quinta generación y discutir el camino de China en este dominio.
I. Características de las cuatro generaciones de materiales semiconductores y lógica de sustitución generacional
Semiconductores de primera generación:
La "era fundacional" del silicio y el germanio
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Las características:Representados por semiconductores elementales como el silicio (Si) y el germanio (Ge), ofrecían ventajas como bajo costo, procesamiento maduro y alta confiabilidad.En el caso de los productos de la industria del carbón, los niveles de carbono de los productos de la industria del carbón eran muy bajos, pero se limitaban por bandas relativamente estrechas (SiLa tensión de los motores de alta frecuencia es de: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), lo que resulta en una baja resistencia al voltaje y un rendimiento de alta frecuencia insuficiente.
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Aplicaciones:Circuitos integrados, células solares, dispositivos de bajo voltaje y baja frecuencia.
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Motivo de sustitución:A medida que la demanda de rendimiento de alta frecuencia y alta temperatura en comunicaciones y optoelectrónica aumentó, los materiales a base de silicio ya no podían satisfacer los requisitos.
Semiconductores de segunda generación:
La "revolución optoelectrónica" de los semiconductores compuestos
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Las características:Representado por semiconductores compuestos III-V como el arseniuro de galio (GaAs) yFosfuro de indio (InP), estos materiales cuentan con bandas de banda más amplias (GaAs: 1.42 eV) y alta movilidad de electrones, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y optoelectrónica.
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Aplicaciones:Dispositivos de RF 5G, láseres, comunicaciones por satélite.
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Los desafíos:La escasez de materiales (por ejemplo, la abundancia de indio es de solo 0.001%) y los altos costos de fabricación, con elementos tóxicos (como el arsénico) involucrados.
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Motivo de sustitución:La aparición de nuevos equipos de energía y alta tensión exigía una resistencia y eficiencia de voltaje aún más altas, lo que provocó el surgimiento de materiales de banda ancha.
Semiconductores de tercera generación:
La "revolución energética" de los materiales de banda ancha
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Las características:Centrados en torno al carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), estos materiales ofrecen bandes significativamente más amplias (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), campos eléctricos de alta degradación,alta conductividad térmica, y un rendimiento superior de alta frecuencia.
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Aplicaciones:Sistemas de accionamiento eléctrico en vehículos de nueva energía, inversores fotovoltaicos, estaciones base 5G.
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Ventajas:En comparación con los dispositivos basados en silicio, reducen el consumo de energía en más del 50% y el volumen del dispositivo en un 70%.
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Motivo de sustitución:Los campos emergentes como la inteligencia artificial y la computación cuántica exigían materiales con un rendimiento aún mayor, lo que llevó al advenimiento de materiales de banda ancha ultra ancha.
Semiconductores de cuarta generación:
El "avance extremo" de los materiales de banda ancha ultra ancha
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Las características:Representado por
(Ga2O3) y diamante (C), estos materiales amplían aún más la banda (Ga2O3: 4.8 eV), ofreciendo una resistencia de conducción ultrabaja, resistencia a voltaje ultraalto y un potencial significativo de reducción de costos.
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Aplicaciones:Chips de energía de ultra alto voltaje, detectores de UV profundos, dispositivos de comunicación cuántica.
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Descubrimientos:Los dispositivos de óxido de galio pueden soportar voltajes superiores a 8000V, con una eficiencia que se triplica en comparación con los dispositivos de SiC.
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Lógico de reemplazo:A medida que las demandas globales de potencia de computación y eficiencia energética se acercan a los límites físicos, los nuevos materiales deben lograr saltos de rendimiento a escala cuántica.
II. Tendencias para los semiconductores de quinta generación:
El "plan futuro" de los materiales cuánticos y las estructuras bidimensionales
Si la trayectoria evolutiva de "expansión de la banda + integración funcional" continúa, los semiconductores de quinta generación pueden centrarse en las siguientes direcciones:
Los aislantes topológicos:
Materiales que son conductores en la superficie pero aislantes en el interior,permitir la construcción de dispositivos electrónicos con pérdida de energía cero y superar el cuello de botella de la generación de calor de los semiconductores tradicionales.
Materiales bidimensionales
Materiales como el grafeno y el disulfuro de molibdeno (MoS2), cuyo grosor a nivel atómico permite una respuesta de ultra alta frecuencia y potencial para la electrónica flexible.
Puntos cuánticos y cristales fotónicos:
Utilizando efectos de confinamiento cuántico para regular la estructura de la banda de energía, logrando la integración multifuncional de luz, electricidad y calor.
Bios semiconductores
Materiales autoensamblados basados en ADN o proteínas, compatibles con sistemas biológicos y circuitos electrónicos.
Las fuerzas motrices principales:
Las demandas tecnológicas disruptivas, como la inteligencia artificial, las interfaces cerebro-computadora y la superconductividad a temperatura ambiente,están impulsando los semiconductores hacia una evolución inteligente y biocompatible.
III. Las oportunidades de China:
De "seguir" a "correr uno al lado del otro"
Los avances tecnológicos y el despliegue de la cadena industrial
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Semiconductores de tercera generación:
China ha logrado la producción en masa de sustratos de SiC de 8 pulgadas, con MOSFETs de SiC de grado automotriz desplegados con éxito por fabricantes de automóviles como BYD.
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Semiconductores de cuarta generación:
Instituciones como la Universidad de Correos y Telecomunicaciones de Xi'an y el Instituto CETC 46 han logrado la tecnología de epitaxia de óxido de galio de 8 pulgadas, uniéndose a las filas de los principales actores del mundo.
Apoyo político y de capital
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El "14o Plan Quinquenal" nacional designa a los semiconductores de tercera generación como un área clave.
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Los gobiernos locales han establecido fondos industriales por valor de cientos de miles de millones de yuanes.
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En los 10 mejores avances tecnológicos de 2024, se reconocieron logros como dispositivos GaN de 6 ′′ 8 pulgadas y transistores de óxido de galio, lo que indica avances completos en la cadena de suministro.
IV. Desafíos y caminos hacia el avance
Cuellos de botella técnicos
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Preparación del material:
El crecimiento de cristal único de gran diámetro tiene bajas tasas de rendimiento (por ejemplo, el óxido de galio es propenso a la grieta) y el control de defectos es extremadamente difícil. -
Confiabilidad del dispositivo:
Las normas para las pruebas de vida útil en condiciones de alta frecuencia y alto voltaje aún no están completamente establecidas, y las certificaciones de grado automotriz son largas.
Deficiencias de la cadena industrial
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Dependencia de los equipos de alta gama importados:
Por ejemplo, las tasas de producción nacionales de hornos de crecimiento de cristales de SiC son inferiores al 20%. -
Ecosistema de aplicaciones débiles:
Las empresas de la cadena de suministro siguen prefiriendo los dispositivos importados; la sustitución nacional requerirá orientación política.
Enfoques estratégicos de desarrollo
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Yo...Colaboración entre la industria y la universidad:
Aprenda de modelos como la Alianza de Semiconductores de Tercera Generación." abordar conjuntamente las tecnologías básicas mediante la colaboración entre universidades (como la Universidad de Zhejiang y el Instituto de Tecnología de Ningbo) y empresas. -
Competencia diferenciada:
Centrarse en mercados incrementales como la nueva energía y las comunicaciones cuánticas para evitar la confrontación directa con los gigantes de la industria tradicional. -
El cultivo del talento:
Establecer fondos especiales para atraer a los mejores académicos del extranjero y promover el desarrollo de disciplinas como "Ciencia e Ingeniería de Chips".
Desde el silicio hasta el óxido de galio, la evolución de los semiconductores es una saga de la humanidad desafiando los límites de la física.
Si China puede aprovechar la ventana de oportunidad presentada por los semiconductores de cuarta generación y posicionarse estratégicamente para los materiales de quinta generación,puede lograr un "cambio de carril de adelantamiento" en la carrera tecnológica mundial.
Como dijo el académico Yang Deren, "La verdadera innovación requiere el coraje de pisar caminos no pisados".
En este camino, la resonancia de la política, el capital y la tecnología determinará el futuro de la industria de semiconductores de China y su viaje hacia las estrellas y el mar.