5세대 반도체 재료의 예측과 도전

반도체는 정보화 시대의 초석이며 반도체 재료의 반복은 인간의 기술 발전의 경계를 직접적으로 정의합니다.첫 번째 세대의 실리콘 기반 반도체에서 오늘날의 네 번째 세대의 초대폭 반구물질까지, 혁신의 각 물결은 통신, 에너지, 컴퓨팅, 그리고 다른 분야에 걸쳐 급격한 발전을 이끌었습니다.

반도체 소재의 네 세대의 특성과 세대 교체 논리를 분석함으로써우리는 5세대 반도체의 가능한 방향을 추론하고 이 영역에서 중국의 돌파구를 논의할 수 있습니다..

I. 반도체 재료의 네 세대의 특성 및 세대의 대체 논리

1세대 반도체:

실리콘 과 게르메늄 의 "기반 시대"

• 특징:실리콘 (Si) 과 게르마늄 (Ge) 과 같은 원소 반도체로 대표되는 이들은 저렴한 비용, 성숙한 처리 및 높은 신뢰성 등의 장점을 제공했습니다.그들은 비교적 좁은 대역 간격 (Si) 으로 제한되었습니다.: 1.12 eV, Ge: 0.67 eV) 로 인해 저전압 저항과 고주파 성능이 충분하지 않습니다.

• 응용 프로그램:통합 회로, 태양전지, 저전압 및 저주파 장치

• 대체 이유:통신 및 광전자 분야에서 고주파 및 고온 성능에 대한 수요가 급증함에 따라 실리콘 기반 물질은 더 이상 요구 사항을 충족 할 수 없었습니다.

2세대 반도체:

복합 반도체 의 "광전자 혁명"

• 특징:가륨 아르세나이드 (GaAs) 와 같은 III-V 화합반도체로 대표되며인디움 포스피드 (InP), 이 물질은 더 넓은 대역 간격 (GaAs: 1.42 eV) 과 높은 전자 이동성을 가지고 있으며, 고주파 및 광 전자 응용 프로그램에 적합합니다.

• 응용 프로그램:5G RF 장치, 레이저, 위성 통신.

• 도전 과제:재료의 희소성 (예: 인디움의 풍부성 0.001%) 과 높은 제조 비용, 독성 요소 (아르센 등) 가 포함됩니다.

• 대체 이유:새로운 에너지 및 고전압 전력 장비의 출현은 더욱 높은 전압 저항과 효율성을 요구했으며, 넓은 대역 간격 재료의 증가로 이어졌습니다.

3세대 반도체:

광대 대역 간격 물질 의 "에너지 혁명"

• 특징:실리콘 카바이드 (SiC) 와 갈리엄 나이트라이드 (GaN) 를 중심으로, 이 물질은 상당히 넓은 대역 간격을 (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), 높은 분해 전기장을,높은 열전도성, 그리고 우수한 고주파 성능.

• 응용 프로그램:새로운 에너지 차량의 전기 구동 시스템, 태양광 인버터, 5G 기지 스테이션

• 장점:실리콘 기반 장치와 비교하면 에너지 소비를 50% 이상 줄이고 장치 부피를 70% 감소시킵니다.

• 대체 이유:인공지능과 양자 컴퓨팅과 같은 신흥 분야는 더욱 높은 성능을 가진 물질을 요구했고, 이는 초대폭 광대간간 물질의 출현으로 이어졌습니다.

4세대 반도체:

초대폭 광대파 재료 의 "극단적 돌파구"

• 특징:대표:(Ga2O3) 및 다이아몬드 (C),이 재료는 밴드gap (Ga2O3: 4.8 eV) 를 더욱 확장하여 초저도도 저항, 초고전압 저항 및 상당한 비용 절감 잠재력을 제공합니다.
   

• 응용 프로그램:초고전압 전력 칩, 깊은 자외선 감지기, 양자 통신 장치
   

• 혁신:갈륨 산화물 장치는 8000V를 초과하는 전압을 견딜 수 있으며, SiC 장치에 비해 효율이 3배 증가합니다.
   

• 대체 논리:전 세계 컴퓨팅 능력과 에너지 효율에 대한 요구가 물리적인 한계에 접근함에 따라 새로운 재료는 양자 규모의 성능 도약을 달성해야합니다.
   

II. 5세대 반도체의 추세:

양자 물질 과 2 차원 구조 의 "미래 계획"
 

만약 "역간을 확장 + 기능적 통합"의 진화 경로가 계속된다면, 5세대 반도체는 다음과 같은 방향에 초점을 맞출 수 있습니다.