Halbleiter bilden den Grundstein des Informationszeitalters, wobei jede Materialentwicklung die Grenzen menschlicher Technologie neu definiert. Von siliziumbasierten Halbleitern der ersten Generation bis hin zu ultrabreiten Bandlückenmaterialien der vierten Generation hat jeder Entwicklungssprung bahnbrechende Fortschritte in den Bereichen Kommunikation, Energie und Computertechnik ermöglicht. Durch die Analyse der Eigenschaften und der Logik des Generationswechsels bestehender Halbleitermaterialien können wir mögliche Entwicklungen für Halbleiter der fünften Generation vorhersagen und gleichzeitig Chinas strategische Wege in diesem wettbewerbsintensiven Bereich erkunden.
I. Eigenschaften und Evolutionslogik von vier Halbleitergenerationen
Halbleiter der ersten Generation: Die Silizium-Germanium-Gründungsära
Eigenschaften: Elementare Halbleiter wie Silizium (Si) und Germanium (Ge) bieten Kosteneffizienz und ausgereifte Herstellungsverfahren, weisen jedoch einen schmalen Bandabstand auf (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), was die Spannungstoleranz und die Hochfrequenzleistung einschränkt.
Anwendungen: Integrierte Schaltkreise, Solarzellen, Niederspannungs-/Niederfrequenzgeräte.
Treiber des Übergangs: Die wachsende Nachfrage nach Hochfrequenz-/Hochtemperaturleistung in der Optoelektronik übertraf die Möglichkeiten von Silizium.
Halbleiter der zweiten Generation: Die Revolution der III-V-Verbindungen
Eigenschaften: III-V-Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) zeichnen sich durch größere Bandlücken (GaAs: 1,42 eV) und eine hohe Elektronenbeweglichkeit für HF- und photonische Anwendungen aus.
Anwendungen: 5G-HF-Geräte, Laserdioden, Satellitenkommunikation.
Herausforderungen: Materialknappheit (Indium-Häufigkeit: 0,001 %), giftige Elemente (Arsen) und hohe Produktionskosten.
Treiber des Übergangs: Energie-/Stromanwendungen erforderten Materialien mit höheren Durchschlagsspannungen.
Halbleiter der dritten Generation: Energierevolution mit großer Bandlücke
Eigenschaften: Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) liefern Bandlücken >3 eV (SiC: 3,2 eV; GaN: 3,4 eV) mit überlegener Wärmeleitfähigkeit und Hochfrequenzeigenschaften.
Anwendungen: EV-Antriebe, PV-Wechselrichter, 5G-Infrastruktur.
Vorteile: Über 50 % Energieeinsparung und 70 % Größenreduzierung im Vergleich zu Silizium.
Übergangstreiber: KI/Quantencomputing erfordert Materialien mit extremen Leistungskennzahlen.
Halbleiter der vierten Generation: Grenze der ultrabreiten Bandlücke
Eigenschaften: Galliumoxid (Ga₂O₃) und Diamant (C) erreichen Bandlücken von bis zu 4,8 eV und kombinieren einen extrem niedrigen Einschaltwiderstand mit einer Spannungstoleranz der kV-Klasse.
Anwendungen: Ultrahochspannungs-ICs, Tief-UV-Detektoren, Quantenkommunikation.
Durchbrüche: Ga₂O₃-Geräte halten >8 kV stand, was die Effizienz von SiC verdreifacht.
Evolutionäre Logik: Um physikalische Grenzen zu überwinden, sind Leistungssprünge im Quantenmaßstab erforderlich.
I. Halbleitertrends der fünften Generation: Quantenmaterialien und 2D-Architekturen
Zu den potenziellen Entwicklungsvektoren gehören:
1. Topologische Isolatoren: Oberflächenleitung mit Volumenisolierung ermöglicht verlustfreie Elektronik.
2. 2D-Materialien: Graphen/MoS₂ bieten THz-Frequenzgang und flexible Elektronikkompatibilität.
3. Quantenpunkte und photonische Kristalle: Bandlückentechnik ermöglicht optoelektronische-thermische Integration.
4. Biohalbleiter: Selbstorganisierende Materialien auf DNA-/Proteinbasis schlagen eine Brücke zwischen Biologie und Elektronik.
5. Wichtige Treiber: KI, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Anforderungen an Supraleitung bei Raumtemperatur.
II. Chinas Chancen im Halbleitersektor: Vom Mitläufer zum Marktführer
1. Technologische Durchbrüche
• 3. Generation: Massenproduktion von 8-Zoll-SiC-Substraten; SiC-MOSFETs in Automobilqualität in BYD-Fahrzeugen
• 4. Generation: Durchbrüche bei der 8-Zoll-Ga₂O₃-Epitaxie durch XUPT und CETC46
2. Politische Unterstützung
• Der 14. Fünfjahresplan priorisiert Halbleiter der 3. Generation
• Einrichtung eines Industriefonds in Höhe von hundert Milliarden Yuan auf Provinzebene
• Meilensteine 6-8 Zoll große GaN-Geräte und Ga₂O₃-Transistoren gehören zu den zehn wichtigsten technischen Fortschritten im Jahr 2024
III. Herausforderungen und strategische Lösungen
1. Technische Engpässe
• Kristallwachstum: Geringe Ausbeute bei Einkristallen mit großem Durchmesser (zB Rissbildung bei Ga₂O₃)
• Zuverlässigkeitsstandards: Fehlen etablierter Protokolle für Alterungstests mit hoher Leistung/hoher Frequenz
2. Lücken in der Lieferkette
• Ausrüstung: <20 % Inlandsanteil für SiC-Kristallzüchter
• Übernahme: Downstream-Präferenz für importierte Komponenten
3. Strategische Wege
• Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft: Nach dem Vorbild der „Third-Gen Semiconductor Alliance“
• Nischenfokus: Priorisierung der Märkte für Quantenkommunikation/neue Energien
• Talententwicklung: Einrichtung akademischer Programme „Chip Science & Engineering“
Von Silizium bis Ga₂O₃ – die Halbleiterentwicklung dokumentiert den Triumph der Menschheit über physikalische Grenzen. Chinas Chance liegt in der Beherrschung von Materialien der vierten Generation und gleichzeitig in der Pionierarbeit für Innovationen der fünften Generation. Wie Akademiemitglied Yang Deren feststellte: „Wahre Innovation erfordert das Beschreiten neuer Wege.“ Das Zusammenspiel von Politik, Kapital und Technologie wird Chinas Halbleiterschicksal bestimmen.
XKH hat sich zu einem vertikal integrierten Lösungsanbieter entwickelt, der sich auf fortschrittliche Halbleitermaterialien über mehrere Technologiegenerationen hinweg spezialisiert hat. Mit Kernkompetenzen in den Bereichen Kristallwachstum, Präzisionsverarbeitung und funktionale Beschichtungstechnologien liefert XKH Hochleistungssubstrate und Epitaxie-Wafer für innovative Anwendungen in der Leistungselektronik, HF-Kommunikation und optoelektronischen Systemen. Unser Fertigungsökosystem umfasst proprietäre Prozesse zur Herstellung von 4-8 Zoll großen Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Wafern mit branchenführender Defektkontrolle und führt gleichzeitig aktive Forschungs- und Entwicklungsprogramme für neue Materialien mit ultrabreitem Bandabstand durch, darunter Galliumoxid- und Diamanthalbleiter. Durch strategische Kooperationen mit führenden Forschungseinrichtungen und Geräteherstellern hat XKH eine flexible Produktionsplattform entwickelt, die sowohl die Massenfertigung standardisierter Produkte als auch die Entwicklung maßgeschneiderter Materiallösungen unterstützt. Die technische Expertise von XKH konzentriert sich auf die Bewältigung kritischer Branchenherausforderungen, wie die Verbesserung der Wafergleichmäßigkeit für Leistungsbauelemente, die Optimierung des Wärmemanagements in HF-Anwendungen und die Entwicklung neuartiger Heterostrukturen für photonische Bauelemente der nächsten Generation. Durch die Kombination fortschrittlicher Materialwissenschaft mit Fähigkeiten im Bereich der Feinwerktechnik ermöglicht XKH seinen Kunden, Leistungseinschränkungen bei Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Extremumgebungsanwendungen zu überwinden und unterstützt gleichzeitig den Übergang der heimischen Halbleiterindustrie zu größerer Unabhängigkeit in der Lieferkette.
Im Folgenden sind XKHs 12-Zoll-Saphir-Wafer und 12-Zoll-SiC-Substrat aufgeführt:
Beitragszeit: 06.06.2025