Dự đoán và thách thức của các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ năm

Các chất bán dẫn là nền tảng của thời đại thông tin, và việc lặp lại các vật liệu bán dẫn trực tiếp xác định ranh giới của sự tiến bộ công nghệ của con người.Từ các chất bán dẫn dựa trên silicon thế hệ đầu tiên đến các vật liệu băng tần siêu rộng thế hệ thứ tư ngày nay, mỗi làn sóng đổi mới đã thúc đẩy sự phát triển nhảy vọt trên các lĩnh vực truyền thông, năng lượng, máy tính và các lĩnh vực khác.

Bằng cách phân tích các đặc điểm và logic thay thế thế hệ của bốn thế hệ vật liệu bán dẫn,chúng ta có thể suy luận các hướng có thể cho thế hệ bán dẫn thứ năm và thảo luận về con đường đột phá của Trung Quốc trong lĩnh vực này.

I. Đặc điểm của bốn thế hệ vật liệu bán dẫn và logic thay thế thế thế hệ

Các chất bán dẫn thế hệ đầu tiên:

"Thời đại nền tảng" của Silicon và Germanium

• Đặc điểm:Được đại diện bởi các chất bán dẫn nguyên tố như silicon (Si) và germanium (Ge), chúng mang lại những lợi thế như chi phí thấp, xử lý trưởng thành và độ tin cậy cao.chúng bị giới hạn bởi các khoảng băng tương đối hẹp (Si: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), dẫn đến sức đề kháng điện áp kém và hiệu suất tần số cao không đủ.

• Ứng dụng:Các mạch tích hợp, pin mặt trời, các thiết bị điện áp thấp và tần số thấp.

• Lý do thay thế:Khi nhu cầu về hiệu suất tần số cao và nhiệt độ cao trong truyền thông và quang điện tử tăng lên, các vật liệu dựa trên silic không còn đáp ứng được yêu cầu.

Các chất bán dẫn thế hệ thứ hai:

"Cuộc cách mạng quang điện tử" của các chất bán dẫn hợp chất

• Đặc điểm:Được đại diện bởi các chất bán dẫn hợp chất III-V như gallium arsenide (GaAs) vàIndium phosphide (InP), các vật liệu này có băng tần rộng hơn (GaAs: 1.42 eV) và tính di động điện tử cao, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng tần số cao và quang điện tử.

• Ứng dụng:Thiết bị RF 5G, laser, truyền thông vệ tinh.

• Những thách thức:Sự khan hiếm của vật liệu (ví dụ, sự phong phú của indi chỉ là 0,001%) và chi phí sản xuất cao, với các yếu tố độc hại (như asen) liên quan.

• Lý do thay thế:Sự xuất hiện của năng lượng mới và thiết bị điện cao áp đòi hỏi khả năng kháng điện áp và hiệu quả cao hơn, thúc đẩy sự gia tăng của các vật liệu băng tần rộng.

Máy bán dẫn thế hệ thứ ba:

"Cuộc cách mạng năng lượng" của các vật liệu băng tần rộng

• Đặc điểm:Trung tâm xung quanh silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), các vật liệu này cung cấp các băng tần rộng hơn đáng kể (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), các trường điện phân hủy cao,dẫn nhiệt cao, và hiệu suất tần số cao vượt trội.

• Ứng dụng:Hệ thống truyền động điện trong xe năng lượng mới, biến tần quang điện, trạm cơ sở 5G.

• Ưu điểm:So với các thiết bị dựa trên silicon, chúng làm giảm tiêu thụ năng lượng hơn 50% và thu hẹp khối lượng thiết bị 70%.

• Lý do thay thế:Các lĩnh vực mới nổi như trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử yêu cầu vật liệu có hiệu suất thậm chí cao hơn, dẫn đến sự ra đời của các vật liệu băng tần siêu rộng.

Các chất bán dẫn thế hệ thứ tư:

"Sự đột phá cực đoan" của các vật liệu băng tần siêu rộng

• Đặc điểm:Được đại diện bởi(Ga2O3) và kim cương (C), các vật liệu này mở rộng thêm khoảng cách băng tần (Ga2O3: 4.8 eV), cung cấp sức đề kháng dẫn điện cực thấp, sức đề kháng điện áp cực cao và tiềm năng giảm chi phí đáng kể.
   

• Ứng dụng:Chip điện cực cao, máy dò tia cực tím, thiết bị truyền thông lượng tử.
   

• Những bước đột phá:Các thiết bị gallium oxide có thể chịu được điện áp vượt quá 8000V, với hiệu quả gấp ba lần so với các thiết bị SiC.
   

• Logic thay thế:Khi nhu cầu toàn cầu về sức mạnh tính toán và hiệu quả năng lượng tiếp cận giới hạn vật lý, các vật liệu mới phải đạt được những bước nhảy vọt về hiệu suất ở quy mô lượng tử.
   

II. Xu hướng cho các chất bán dẫn thế hệ thứ năm:

"Kế hoạch tương lai" của vật liệu lượng tử và cấu trúc hai chiều
 

Nếu con đường tiến hóa của "mở rộng băng tần + tích hợp chức năng" tiếp tục, các chất bán dẫn thế hệ thứ năm có thể tập trung vào các hướng sau: