第5世代半導体材料の予測と課題

半導体材料の繰り返しは 人間の技術進歩の境界線を 直接定義しています 半導体材料の繰り返しは 人間の技術進歩の境界線を 直接定義しています第1世代のシリコンベースの半導体から 今日の第4世代の超広帯域材料までコミュニケーション,エネルギー,コンピューティング,その他の分野における 飛躍的な発展を促しています

半導体材料の4つの世代の 特性と代用論理を分析することで5代目の半導体の方向性を推測し この分野における中国の突破の道を議論することができます.

I. 四世代半導体材料の特徴と世代替代論理

半導体の第一世代:

シリコン と ゲルマニウム の"基礎 時代"

• 特徴:シリコン (Si) やゲルマニアム (Ge) などの基本的な半導体で表現され,低コスト,成熟した処理,高い信頼性などの利点がありました.比較的狭い帯域 (Si: 1.12 eV,Ge: 0.67 eV) で,電圧抵抗が低下し,高周波性能が不十分である.

• 応用:集積回路 太陽電池 低電圧低周波装置

• 代替理由:通信や光電子機器における高周波および高温性能の需要が急増するにつれて,シリコンベースの材料はもはや要求を満たすことができなかった.

2世代半導体:

複合 半導体 の "光電子 革命"

• 特徴:III-V化合物半導体,ガリウムアルセニード (GaAs) とインディアム・フォスフィード (InP)この材料は,より広い帯域間隔 (GaAs: 1.42 eV) と高い電子移動性を備えており,高周波および光電子アプリケーションに適しています.

• 応用:5G RFデバイス レーザー 衛星通信

• 課題材料の乏しさ (例えばインディアムの豊富さは0.001%のみ) と高コストの製造で,有毒な元素 (アルゼンチンなど) が関与している.

• 代替理由:新しいエネルギーと高電圧電源機器の出現により,さらに高い電圧抵抗と効率が求められ,広帯域材料の出現を促した.

3世代半導体:

広帯域 材料 の"エネルギー 革命"

• 特徴:シリコンカービード (SiC) とガリウムナイトリド (GaN) を中心に,これらの材料は,大幅に広い帯域 (SiC: 3.2 eV,GaN: 3.4 eV),高分解電場,高熱伝導性高周波の性能が優れています

• 応用:新エネルギー自動車の電気駆動システム 太陽光インバーター 5Gベースステーション

• 利点:シリコンベースのデバイスと比較して エネルギー消費量を50%以上削減し デバイスの容量を70%削減します

• 代替理由:人工知能や量子コンピューティングなどの新興分野は,より高い性能を持つ材料を必要とし,超幅帯隙材料の出現につながりました

第4世代の半導体

超 幅 の 帯域 隙 の 材料 の "極端 な 突破"

• 特徴:代表は(Ga2O3) とダイヤモンド (C),これらの材料は帯隙をさらに拡大 (Ga2O3: 4.8 eV),超低導電抵抗,超高電圧抵抗,および重要なコスト削減の可能性を提供します.
   

• 応用:超高電圧の電源チップ 紫外線探知器 量子通信装置
   

• 突破点ガリウムオキシド装置は8000Vを超える電圧に耐えることができ,SiC装置と比較して効率が3倍になります.
   

• 代替論理:コンピューティング能力とエネルギー効率のグローバル需要が 物理的限界に近づくにつれて 新しい材料は 量子規模での性能の飛躍を達成しなければなりません
   

II.第5世代半導体の動向:

量子 物質 と 二次元 構造 の"未来 の 計画"
 

"バンドギャップ拡大+機能統合"の進化の経路が続く場合,第5世代の半導体は次の方向に焦点を当てることができる: