Prédictions et défis des semi-conducteurs de cinquième génération
April 29, 2025
Prédictions et défis des semi-conducteurs de cinquième génération
Les semi-conducteurs sont la pierre angulaire de l'ère de l'information, et l'itération des matériaux semi-conducteurs définit directement les limites de l'avancement technologique humain.De la première génération de semi-conducteurs à base de silicium à la quatrième génération de matériaux ultra-larges bandes, chaque vague d'innovation a conduit à un développement rapide dans les domaines des communications, de l'énergie, de l'informatique et d'autres domaines.
En analysant les caractéristiques et la logique de remplacement générationnelle de quatre générations de matériaux semi-conducteurs,Nous pouvons déduire les directions possibles pour les semi-conducteurs de cinquième génération et discuter de la voie de la Chine dans ce domaine.
I. Caractéristiques des quatre générations de matériaux semi-conducteurs et logique de remplacement des générations
Les semi-conducteurs de première génération:
L'"ère fondatrice" du silicium et du germanium
-
Caractéristiques:Représentés par des semi-conducteurs élémentaires comme le silicium (Si) et le germanium (Ge), ils offraient des avantages tels que le faible coût, le traitement mature et une grande fiabilité.Ils étaient limités par des bandes assez étroites (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), ce qui entraîne une faible résistance à la tension et une performance insuffisante à haute fréquence.
-
Applications:Circuits intégrés, cellules solaires, appareils basse tension et basse fréquence.
-
Motif du remplacement:Comme la demande de performances à haute fréquence et à haute température dans les communications et l'optoélectronique a augmenté, les matériaux à base de silicium ne pouvaient plus répondre aux exigences.
Semi-conducteurs de deuxième génération:
La " révolution optoélectronique " des semi-conducteurs composés
-
Caractéristiques:Représenté par des semi-conducteurs composés III-V tels que l'arsenure de gallium (GaAs) etphosphure d'indium (InP), ces matériaux présentent des bandes plus larges (GaAs: 1,42 eV) et une grande mobilité électronique, ce qui les rend adaptés aux applications haute fréquence et optoélectroniques.
-
Applications:Des appareils RF 5G, des lasers, des communications par satellite.
-
Les défis:La rareté des matériaux (par exemple, l'abondance de l'indium n'est que de 0,001%) et les coûts de fabrication élevés, avec des éléments toxiques (tels que l'arsenic) impliqués.
-
Motif du remplacement:L'émergence d'équipements de puissance à énergie nouvelle et haute tension a exigé une résistance et une efficacité encore plus élevées, ce qui a conduit à l'émergence de matériaux à large bande passante.
Semi-conducteurs de troisième génération:
La "révolution énergétique" des matériaux à large bande
-
Caractéristiques:Centrées autour du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN), ces matériaux offrent des intervalles de bande significativement plus larges (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), des champs électriques à forte dégradation,conductivité thermique élevée, et des performances de haute fréquence supérieures.
-
Applications:Systèmes d'entraînement électrique dans les véhicules à énergie nouvelle, onduleurs photovoltaïques, stations de base 5G.
-
Les avantages:Comparativement aux appareils à base de silicium, ils réduisent la consommation d'énergie de plus de 50% et le volume des appareils de 70%.
-
Motif du remplacement:Des domaines émergents tels que l'intelligence artificielle et l'informatique quantique exigeaient des matériaux avec des performances encore plus élevées, ce qui a conduit à l'avènement de matériaux à bande passante ultra large.
Les semi-conducteurs de quatrième génération:
La " percée extrême " des matériaux à bande passante ultra large
-
Caractéristiques:Représenté par:
(Ga2O3) et le diamant (C), ces matériaux élargissent encore l'écart de bande (Ga2O3: 4,8 eV), offrant une résistance à la conduction ultra-faible, une résistance à la tension ultra-haute et un potentiel significatif de réduction des coûts.
-
Applications:Des puces électriques ultra-haute tension, des détecteurs UV profonds, des dispositifs de communication quantique.
-
Découvertes:Les appareils à oxyde de gallium peuvent résister à des tensions supérieures à 8000 V, avec une efficacité triplée par rapport aux appareils SiC.
-
La logique de remplacement:Alors que les demandes mondiales de puissance de calcul et d'efficacité énergétique approchent des limites physiques, les nouveaux matériaux doivent atteindre des sauts de performance à l'échelle quantique.
II. Tendances pour les semi-conducteurs de cinquième génération:
Le "projet futur" des matériaux quantiques et des structures bidimensionnelles
Si la voie évolutive de l'expansion de la bande passante + de l'intégration fonctionnelle se poursuit, les semi-conducteurs de cinquième génération peuvent se concentrer sur les directions suivantes:
Les isolants topologiques:
Matériaux conducteurs à la surface mais isolants à l'intérieur,permettant de construire des dispositifs électroniques à perte d'énergie nulle et de surmonter le goulot d'étranglement de la production de chaleur des semi-conducteurs traditionnels.
Matériaux bidimensionnels:
Des matériaux comme le graphène et le disulfure de molybdène (MoS2), dont l'épaisseur au niveau atomique permet une réponse à ultra-haute fréquence et un potentiel d'électronique flexible.
Les points quantiques et les cristaux photoniques:
Utilisation des effets de confinement quantique pour réguler la structure de la bande d'énergie, réalisant une intégration multifonctionnelle de la lumière, de l'électricité et de la chaleur.
Biosémiconducteurs:
Matériaux autoassemblés à base d'ADN ou de protéines, compatibles avec les systèmes biologiques et les circuits électroniques.
Les principales forces motrices:
Des exigences technologiques révolutionnaires, comme l'intelligence artificielle, les interfaces cerveau-ordinateur et la supraconductivité à température ambiante,Ils propulsent les semi-conducteurs vers une évolution intelligente et biocompatible..
III. Les opportunités de la Chine:
De " suivre " à " courir côte à côte "
Les percées technologiques et le déploiement de la chaîne industrielle
-
Semi-conducteurs de troisième génération:
La Chine a réalisé une production de masse de substrats SiC de 8 pouces, avec des MOSFET SiC de qualité automobile déployés avec succès par des constructeurs automobiles comme BYD.
-
Les semi-conducteurs de quatrième génération:
Des institutions comme l'Université des postes et télécommunications de Xi'an et l'Institut CETC 46 ont réussi à introduire la technologie de l'épitaxie à l'oxyde de gallium de 8 pouces, rejoignant les rangs des principaux acteurs mondiaux.
Politique et soutien en capital
-
Le "14e plan quinquennal" national désigne les semi-conducteurs de troisième génération comme domaine clé.
-
Les gouvernements locaux ont mis en place des fonds industriels d'une valeur de centaines de milliards de yuans.
-
Dans le Top 10 des avancées technologiques de 2024, des réalisations telles que des appareils GaN de 6 à 8 pouces et des transistors à oxyde de gallium ont été reconnues, indiquant des percées complètes dans la chaîne d'approvisionnement.
IV. Défis et voies vers une percée
Les goulots d'étranglement techniques
-
Préparation du matériau:
La croissance de cristaux simples de grand diamètre a de faibles taux de rendement (par exemple, l'oxyde de gallium est sujet à la fissuration) et le contrôle des défauts est extrêmement difficile. -
Fiabilité du dispositif:
Les normes pour les essais de durée de vie dans des conditions de haute fréquence et de haute tension ne sont pas encore pleinement établies et les certifications de qualité automobile sont longues.
Les lacunes de la chaîne industrielle
-
Dépendance des équipements haut de gamme importés:
Par exemple, les taux de production intérieure des fours de croissance de cristaux de SiC sont inférieurs à 20%. -
Écosystème d'application faible:
Les entreprises en aval préfèrent encore les dispositifs importés; la substitution nationale nécessitera des orientations politiques.
Approches stratégiques de développement
-
Je suis...La collaboration entre l'industrie et l'université:
Apprenez de modèles comme la "Third-Generation Semiconductor Alliance"," en s'attaquant conjointement aux technologies de base grâce à la collaboration entre les universités (comme l'Université du Zhejiang, l'Institut de technologie de Ningbo) et les entreprises. -
Compétition différenciée:
Concentrez-vous sur les marchés incrémentiels tels que les nouvelles énergies et les communications quantiques pour éviter une confrontation directe avec les géants de l'industrie traditionnelle. -
Cultivation des talents:
Mettre en place des fonds spéciaux pour attirer les meilleurs chercheurs de l'étranger et promouvoir le développement de disciplines telles que la "science et l'ingénierie des puces".
Du silicium à l'oxyde de gallium, l'évolution des semi-conducteurs est une saga de l'humanité défiant les limites de la physique.
Si la Chine peut saisir la fenêtre d'opportunité présentée par les semi-conducteurs de quatrième génération et se positionner stratégiquement pour les matériaux de cinquième génération,Il peut atteindre un "dépassement de virage" dans la course technologique mondiale.
Comme l'a dit l'académicien Yang Deren, " La véritable innovation exige le courage de franchir des chemins inexplorés. "
Sur cette voie, la résonance de la politique, du capital et de la technologie déterminera l'avenir de l'industrie chinoise des semi-conducteurs et son voyage vers les étoiles et la mer.