Os semicondutores são a pedra angular da era da informação, com cada iteração de material redefinindo os limites da tecnologia humana. Dos semicondutores à base de silício de primeira geração aos atuais materiais de banda ultralarga de quarta geração, cada salto evolutivo impulsionou avanços transformadores em comunicações, energia e computação. Ao analisar as características e a lógica de transição geracional dos materiais semicondutores existentes, podemos prever possíveis direções para os semicondutores de quinta geração, ao mesmo tempo em que exploramos os caminhos estratégicos da China nessa arena competitiva.
I. Características e Lógica Evolutiva de Quatro Gerações de Semicondutores
Semicondutores de Primeira Geração: A Era da Fundação Silício-Germânio
Características: Semicondutores elementares como silício (Si) e germânio (Ge) oferecem boa relação custo-benefício e processos de fabricação maduros, mas sofrem com bandas estreitas (Si: 1,12 eV; Ge: 0,67 eV), limitando a tolerância à tensão e o desempenho em alta frequência.
Aplicações: Circuitos integrados, células solares, dispositivos de baixa tensão/baixa frequência.
Fator de transição: A crescente demanda por desempenho de alta frequência/alta temperatura em optoeletrônica ultrapassou as capacidades do silício.
Semicondutores de segunda geração: a revolução dos compostos III-V
Características: Compostos III-V como arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP) apresentam bandas mais amplas (GaAs: 1,42 eV) e alta mobilidade de elétrons para aplicações de RF e fotônicas.
Aplicações: dispositivos RF 5G, diodos laser, comunicações via satélite.
Desafios: Escassez de material (abundância de índio: 0,001%), elementos tóxicos (arsênio) e altos custos de produção.
Driver de transição: aplicações de energia/potência exigiam materiais com tensões de ruptura mais altas.
Semicondutores de Terceira Geração: Revolução Energética de Banda Larga
Características: Carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) fornecem bandas proibidas >3eV (SiC:3,2eV; GaN:3,4eV), com condutividade térmica superior e características de alta frequência.
Aplicações: sistemas de propulsão de veículos elétricos, inversores fotovoltaicos, infraestrutura 5G.
Vantagens: economia de energia de mais de 50% e redução de tamanho de 70% em relação ao silício.
Motorista de transição: IA/computação quântica requer materiais com métricas de desempenho extremas.
Semicondutores de Quarta Geração: Fronteira de Banda Ultra-Ampla
Características: Óxido de gálio (Ga₂O₃) e diamante (C) atingem bandas proibidas de até 4,8 eV, combinando resistência de ativação ultrabaixa com tolerância de tensão de classe kV.
Aplicações: CIs de ultra-alta tensão, detectores de UV profundo, comunicação quântica.
Avanços: dispositivos Ga₂O₃ suportam >8 kV, triplicando a eficiência do SiC.
Lógica Evolutiva: Saltos de desempenho em escala quântica são necessários para superar limites físicos.
I. Tendências de Semicondutores de Quinta Geração: Materiais Quânticos e Arquiteturas 2D
Os potenciais vetores de desenvolvimento incluem:
1. Isoladores topológicos: a condução de superfície com isolamento em massa permite eletrônicos com perda zero.
2. Materiais 2D: Grafeno/MoS₂ oferecem resposta de frequência THz e compatibilidade eletrônica flexível.
3. Pontos quânticos e cristais fotônicos: a engenharia de banda proibida permite a integração optoeletrônica-térmica.
4. Biossemicondutores: materiais automontáveis baseados em DNA/proteína fazem a ponte entre a biologia e a eletrônica.
5. Principais impulsionadores: IA, interfaces cérebro-computador e demandas de supercondutividade em temperatura ambiente.
II. Oportunidades da China em Semicondutores: De Seguidor a Líder
1. Avanços tecnológicos
• 3ª geração: produção em massa de substratos de SiC de 8 polegadas; MOSFETs de SiC de nível automotivo em veículos BYD
• 4ª geração: avanços na epitaxia de Ga₂O₃ de 8 polegadas por XUPT e CETC46
2. Apoio à Política
• O 14º Plano Quinquenal prioriza semicondutores de 3ª geração
• Fundos industriais provinciais de cem bilhões de yuans foram criados
• Marcos Dispositivos GaN de 6 a 8 polegadas e transistores Ga₂O₃ listados entre os 10 principais avanços tecnológicos em 2024
III. Desafios e Soluções Estratégicas
1. Gargalos técnicos
• Crescimento de cristais: baixo rendimento para bolas de grande diâmetro (por exemplo, craqueamento de Ga₂O₃)
• Padrões de confiabilidade: Falta de protocolos estabelecidos para testes de envelhecimento de alta potência/alta frequência
2. Lacunas na cadeia de suprimentos
• Equipamento: <20% de conteúdo nacional para produtores de cristais de SiC
• Adoção: Preferência a jusante por componentes importados
3. Caminhos estratégicos
• Colaboração entre a indústria e a academia: modelada com base na “Aliança de Semicondutores de Terceira Geração”
• Foco de nicho: priorizar comunicações quânticas/novos mercados de energia
• Desenvolvimento de Talentos: Estabelecer programas acadêmicos de “Ciência e Engenharia de Chips”
Do silício ao Ga₂O₃, a evolução dos semicondutores registra o triunfo da humanidade sobre os limites físicos. A oportunidade da China reside no domínio dos materiais de quarta geração e, ao mesmo tempo, no pioneirismo em inovações de quinta geração. Como observou o acadêmico Yang Deren: "A verdadeira inovação exige trilhar caminhos inexplorados". A sinergia entre política, capital e tecnologia determinará o destino dos semicondutores da China.
A XKH emergiu como uma provedora de soluções verticalmente integradas, especializada em materiais semicondutores avançados em diversas gerações tecnológicas. Com competências essenciais que abrangem crescimento de cristais, processamento de precisão e tecnologias de revestimento funcional, a XKH fornece substratos de alto desempenho e wafers epitaxiais para aplicações de ponta em eletrônica de potência, comunicações de RF e sistemas optoeletrônicos. Nosso ecossistema de fabricação abrange processos proprietários para a produção de wafers de carboneto de silício e nitreto de gálio de 4 a 8 polegadas com controle de defeitos líder do setor, mantendo programas ativos de P&D em materiais emergentes de banda ultralarga, incluindo óxido de gálio e semicondutores de diamante. Por meio de colaborações estratégicas com instituições de pesquisa líderes e fabricantes de equipamentos, a XKH desenvolveu uma plataforma de produção flexível capaz de suportar tanto a fabricação em alto volume de produtos padronizados quanto o desenvolvimento especializado de soluções de materiais personalizadas. A expertise técnica da XKH concentra-se em abordar desafios críticos da indústria, como melhorar a uniformidade dos wafers para dispositivos de potência, aprimorar o gerenciamento térmico em aplicações de RF e desenvolver novas heteroestruturas para dispositivos fotônicos de próxima geração. Ao combinar ciência avançada de materiais com recursos de engenharia de precisão, a XKH permite que os clientes superem as limitações de desempenho em aplicações de alta frequência, alta potência e ambientes extremos, ao mesmo tempo em que dá suporte à transição da indústria nacional de semicondutores para maior independência da cadeia de suprimentos.
A seguir estão o wafer de safira de 12 polegadas e o substrato de SiC de 12 polegadas da XKH:
Horário da publicação: 06/06/2025