التوقعات والتحديات لمواد أشباه الموصلات من الجيل الخامس

تُعدّ أشباه الموصلات حجر الزاوية في عصر المعلومات، حيث يُعيد كلُّ تطوّرٍ للمادة تعريفَ حدود التكنولوجيا البشرية. بدءًا من الجيل الأول من أشباه الموصلات القائمة على السيليكون وصولًا إلى الجيل الرابع من مواد فجوة النطاق فائقة الاتساع الحالية، قادت كلُّ قفزةٍ تطوريةٍ إلى تطوراتٍ جذريةٍ في مجالات الاتصالات والطاقة والحوسبة. من خلال تحليل خصائص مواد أشباه الموصلات الحالية ومنطق انتقالها عبر الأجيال، يُمكننا التنبؤ بالاتجاهات المُحتملة لأشباه الموصلات من الجيل الخامس، مع استكشاف المسارات الاستراتيجية للصين في هذا المجال التنافسي.

أولاً: خصائص ومنطق التطور لأجيال أشباه الموصلات الأربعة

أشباه الموصلات من الجيل الأول: عصر أساس السيليكون والجرمانيوم

الخصائص: توفر أشباه الموصلات الأولية مثل السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) فعالية من حيث التكلفة وعمليات تصنيع ناضجة، إلا أنها تعاني من فجوات نطاق ضيقة (Si: 1.12 إلكترون فولت؛ Ge: 0.67 إلكترون فولت)، مما يحد من تحمل الجهد والأداء عالي التردد.
التطبيقات: الدوائر المتكاملة، الخلايا الشمسية، الأجهزة ذات الجهد المنخفض/التردد المنخفض.
محرك التحول: الطلب المتزايد على الأداء عالي التردد/عالي الحرارة في مجال الإلكترونيات البصرية يفوق قدرات السيليكون.

أشباه الموصلات من الجيل الثاني: ثورة المركبات III-V

الخصائص: تتميز مركبات III-V مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) بفجوات نطاق أوسع (GaAs: 1.42 إلكترون فولت) وحركة إلكترونية عالية لتطبيقات التردد اللاسلكي والفوتونية.
التطبيقات: أجهزة RF 5G، الثنائيات الليزرية، الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.
التحديات: ندرة المواد (وفرة الإنديوم: 0.001٪)، والعناصر السامة (الزرنيخ)، وارتفاع تكاليف الإنتاج.
محرك التحول: تطلبت تطبيقات الطاقة/القوة مواد ذات جهد انهيار أعلى.

أشباه الموصلات من الجيل الثالث: ثورة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض

الخصائص: يوفر كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) فجوات نطاقية >3 إلكترون فولت (SiC: 3.2 إلكترون فولت؛ GaN: 3.4 إلكترون فولت)، مع موصلية حرارية فائقة وخصائص عالية التردد.
التطبيقات: محركات السيارات الكهربائية، ومحولات الطاقة الكهروضوئية، والبنية التحتية لشبكة الجيل الخامس.
المزايا: توفير أكثر من 50% من الطاقة وتقليص الحجم بنسبة 70% مقارنة بالسيليكون.
محرك التحول: تتطلب الذكاء الاصطناعي/الحوسبة الكمومية مواد ذات مقاييس أداء متطرفة.

أشباه الموصلات من الجيل الرابع: آفاق فجوة النطاق العريض للغاية

الخصائص: يحقق أكسيد الجاليوم (Ga₂O₃) والماس (C) فجوات نطاقية تصل إلى 4.8 إلكترون فولت، من خلال الجمع بين مقاومة منخفضة للغاية وتسامح الجهد من فئة كيلو فولت.
التطبيقات: الدوائر المتكاملة ذات الجهد العالي للغاية، وأجهزة الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية العميقة، والاتصالات الكمومية.
إنجازات: أجهزة Ga₂O₃ تتحمل جهدًا يزيد عن 8 كيلو فولت، مما يزيد كفاءة SiC ثلاث مرات.
المنطق التطوري: هناك حاجة إلى قفزات في الأداء على نطاق الكم للتغلب على الحدود المادية.

1. اتجاهات أشباه الموصلات من الجيل الخامس: المواد الكمومية والهياكل ثنائية الأبعاد

تشمل متجهات التنمية المحتملة ما يلي:

1. العوازل الطوبولوجية: التوصيل السطحي مع العزل الشامل يمكّن من إنتاج إلكترونيات خالية من الخسارة.

2. المواد ثنائية الأبعاد: توفر مادة الجرافين/MoS₂ استجابة تردد تيراهرتز وتوافقًا مرنًا مع الإلكترونيات.

3. النقاط الكمومية والبلورات الفوتونية: تمكن هندسة فجوة النطاق من التكامل الضوئي الحراري.

4. أشباه الموصلات الحيوية: المواد ذاتية التجميع المعتمدة على الحمض النووي/البروتين تشكل جسراً بين علم الأحياء والإلكترونيات.

5. العوامل الرئيسية: الذكاء الاصطناعي، وواجهات الدماغ والحاسوب، ومتطلبات الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة.

ثانيًا: فرص صناعة أشباه الموصلات في الصين: من التبعية إلى الريادة

1. الاختراقات التكنولوجية
• الجيل الثالث: الإنتاج الضخم لركائز SiC مقاس 8 بوصات؛ MOSFETs SiC عالية الجودة للسيارات في مركبات BYD
• الجيل الرابع: اختراقات في إنتاج رقائق Ga₂O₃ مقاس 8 بوصات بواسطة XUPT وCETC46

2. دعم السياسات
• الخطة الخمسية الرابعة عشرة تعطي الأولوية لأشباه الموصلات من الجيل الثالث
• إنشاء صناديق صناعية إقليمية بقيمة مائة مليار يوان

• إنجازات بارزة: أجهزة GaN مقاس 6-8 بوصات وترانزستورات Ga₂O₃ مدرجة ضمن أفضل 10 تطورات تكنولوجية في عام 2024

ثالثًا: التحديات والحلول الاستراتيجية

1. الاختناقات الفنية
• نمو البلورات: إنتاجية منخفضة للكرات ذات القطر الكبير (على سبيل المثال، تكسير Ga₂O₃)
• معايير الموثوقية: عدم وجود بروتوكولات راسخة لاختبارات الشيخوخة عالية الطاقة/عالية التردد

2. فجوات سلسلة التوريد
• المعدات: أقل من 20% من المحتوى المحلي لمزارعي بلورات SiC
• التبني: تفضيل المصب للمكونات المستوردة

3. المسارات الاستراتيجية

• التعاون بين الصناعة والأوساط الأكاديمية: على غرار "تحالف أشباه الموصلات من الجيل الثالث"

• التركيز على المجالات المتخصصة: إعطاء الأولوية للاتصالات الكمومية/أسواق الطاقة الجديدة

• تنمية المواهب: إنشاء برامج أكاديمية في "علوم وهندسة الرقائق"

من السيليكون إلى Ga₂O₃، يُوثّق تطور أشباه الموصلات انتصار البشرية على الحدود الفيزيائية. تكمن فرصة الصين في إتقان مواد الجيل الرابع مع الريادة في ابتكارات الجيل الخامس. وكما أشار الأكاديمي يانغ ديرين: "الابتكار الحقيقي يتطلب شقّ مسارات غير مطروقة". سيُحدّد تضافر السياسات ورأس المال والتكنولوجيا مصير أشباه الموصلات في الصين.

برزت شركة XKH كمزود حلول متكامل رأسيًا، متخصصة في مواد أشباه الموصلات المتقدمة عبر أجيال متعددة من التكنولوجيا. بفضل كفاءاتها الأساسية التي تشمل نمو البلورات، والمعالجة الدقيقة، وتقنيات الطلاء الوظيفي، تُقدم XKH ركائز عالية الأداء ورقائق متراكبة لتطبيقات متطورة في إلكترونيات الطاقة، واتصالات الترددات الراديوية، والأنظمة البصرية الإلكترونية. يشمل نظامنا التصنيعي عمليات خاصة لإنتاج رقائق كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم بقياس 4-8 بوصات، مع تحكم رائد في العيوب في الصناعة، مع الحفاظ على برامج بحث وتطوير نشطة في المواد الناشئة ذات فجوة النطاق العريض للغاية، بما في ذلك أكسيد الغاليوم وأشباه موصلات الماس. من خلال التعاون الاستراتيجي مع مؤسسات بحثية رائدة ومصنعي معدات، طورت XKH منصة إنتاج مرنة قادرة على دعم التصنيع بكميات كبيرة للمنتجات القياسية والتطوير المتخصص لحلول المواد المخصصة. تركز الخبرة التقنية لشركة XKH على مواجهة التحديات الصناعية الحرجة، مثل تحسين تجانس الرقائق لأجهزة الطاقة، وتعزيز الإدارة الحرارية في تطبيقات الترددات الراديوية، وتطوير هياكل غير متجانسة جديدة للأجهزة الفوتونية من الجيل التالي. من خلال الجمع بين علوم المواد المتقدمة وقدرات الهندسة الدقيقة، تمكن XKH العملاء من التغلب على قيود الأداء في التطبيقات عالية التردد وعالية الطاقة والبيئات القاسية مع دعم انتقال صناعة أشباه الموصلات المحلية نحو استقلال أكبر لسلسلة التوريد.

فيما يلي رقاقة الياقوت مقاس 12 بوصة وركيزة SiC مقاس 12 بوصة من XKH: