पांचवीं पीढ़ी की अर्धचालक सामग्री की भविष्यवाणियां और चुनौतियां
April 29, 2025
पांचवीं पीढ़ी की अर्धचालक सामग्री की भविष्यवाणियां और चुनौतियां
अर्धचालक सूचना युग के आधारशिला हैं और अर्धचालक सामग्री का पुनरावृत्ति सीधे मानव तकनीकी प्रगति की सीमाओं को परिभाषित करता है।पहली पीढ़ी के सिलिकॉन आधारित अर्धचालकों से लेकर आज की चौथी पीढ़ी के अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सामग्री तक, नवाचार की प्रत्येक लहर ने संचार, ऊर्जा, कंप्यूटिंग और अन्य क्षेत्रों में छलांग लगाने वाले विकास को प्रेरित किया है।
अर्धचालक सामग्री की चार पीढ़ियों की विशेषताओं और पीढ़ीगत प्रतिस्थापन तर्क का विश्लेषण करके,हम पांचवीं पीढ़ी के अर्धचालकों के लिए संभावित दिशाओं का अनुमान लगा सकते हैं और इस क्षेत्र में चीन के सफलता पथ पर चर्चा कर सकते हैं.
I. अर्धचालक सामग्री की चार पीढ़ियों की विशेषताएं और पीढ़ीगत प्रतिस्थापन तर्क
पहली पीढ़ी के अर्धचालक:
सिलिकॉन और जर्मेनियम का "मूल युग"
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विशेषताएं:सिलिकॉन (Si) और जर्मनियम (Ge) जैसे प्राथमिक अर्धचालकों द्वारा प्रतिनिधित्व किया गया, उन्होंने कम लागत, परिपक्व प्रसंस्करण और उच्च विश्वसनीयता जैसे फायदे प्रदान किए।वे अपेक्षाकृत संकीर्ण बैंडगैप (Si: 1.12 eV, Ge: 0.67 eV), जिसके परिणामस्वरूप खराब वोल्टेज प्रतिरोध और अपर्याप्त उच्च आवृत्ति प्रदर्शन होता है।
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अनुप्रयोग:एकीकृत सर्किट, सौर कोशिकाएं, निम्न वोल्टेज और निम्न आवृत्ति वाले उपकरण।
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प्रतिस्थापन का कारण:संचार और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में उच्च आवृत्ति और उच्च तापमान प्रदर्शन की मांग बढ़ने के साथ, सिलिकॉन आधारित सामग्री अब आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती थी।
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक:
यौगिक अर्धचालकों का "ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक क्रांति"
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विशेषताएं:III-V यौगिक अर्धचालक जैसे गैलियम आर्सेनइड (GaAs) औरइंडियम फॉस्फिड (InP), इन सामग्रियों में व्यापक बैंडगैप (GaAs: 1.42 eV) और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है, जो उन्हें उच्च आवृत्ति और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।
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अनुप्रयोग:5जी आरएफ उपकरण, लेजर, उपग्रह संचार।
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चुनौतियाँ:सामग्री की कमी (उदाहरण के लिए, इंडियम की प्रचुरता केवल 0.001%) और उच्च विनिर्माण लागत, जिसमें विषाक्त तत्व (जैसे आर्सेनिक) शामिल हैं।
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प्रतिस्थापन का कारण:नई ऊर्जा और उच्च वोल्टेज बिजली उपकरणों के उद्भव ने और भी अधिक वोल्टेज प्रतिरोध और दक्षता की मांग की, जिससे व्यापक बैंडगैप सामग्री का उदय हुआ।
तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक:
वाइड बैंडगैप सामग्री की "ऊर्जा क्रांति"
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विशेषताएं:सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) के आसपास केंद्रित, ये सामग्री काफी व्यापक बैंडगैप (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), उच्च टूटने वाले विद्युत क्षेत्र,उच्च ताप चालकता, और बेहतर उच्च आवृत्ति प्रदर्शन।
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अनुप्रयोग:नई ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक इन्वर्टर्स, 5जी बेस स्टेशनों में इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम।
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लाभःसिलिकॉन आधारित उपकरणों की तुलना में, वे ऊर्जा की खपत को 50% से अधिक कम करते हैं और डिवाइस वॉल्यूम को 70% तक छोटा करते हैं।
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प्रतिस्थापन का कारण:कृत्रिम बुद्धिमत्ता और क्वांटम कंप्यूटिंग जैसे उभरते क्षेत्रों में और भी अधिक प्रदर्शन वाली सामग्री की आवश्यकता थी, जिससे अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सामग्री का आगमन हुआ।
चौथी पीढ़ी के अर्धचालक:
अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सामग्री की "अत्यधिक सफलता"
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विशेषताएं:द्वारा प्रतिनिधित्व
(Ga2O3) और हीरा (C), ये सामग्री बैंडगैप (Ga2O3: 4.8 eV) को और बढ़ाती हैं, जो अति-कम चालकता प्रतिरोध, अति-उच्च वोल्टेज प्रतिरोध और महत्वपूर्ण लागत-कटौती क्षमता प्रदान करती हैं।
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अनुप्रयोग:अल्ट्रा-उच्च वोल्टेज पावर चिप्स, गहरे यूवी डिटेक्टर, क्वांटम संचार उपकरण।
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सफलताएं:गैलियम ऑक्साइड डिवाइस 8000V से अधिक वोल्टेज का सामना कर सकते हैं, सीआईसी उपकरणों की तुलना में दक्षता तीन गुना है।
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प्रतिस्थापन तर्कःजैसे-जैसे कंप्यूटिंग शक्ति और ऊर्जा दक्षता की वैश्विक मांग भौतिक सीमाओं के करीब आती है, नई सामग्री को क्वांटम पैमाने पर प्रदर्शन छलांग हासिल करनी चाहिए।
II. पांचवीं पीढ़ी के अर्धचालकों के लिए रुझानः
क्वांटम सामग्री और दो आयामी संरचनाओं का "भविष्य का खाका"
यदि "बैंडगैप का विस्तार + कार्यात्मक एकीकरण" का विकासात्मक मार्ग जारी रहता है, तो पांचवीं पीढ़ी के अर्धचालक निम्नलिखित दिशाओं पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैंः
टोपोलॉजिकल आइसोलेटर:
सामग्री जो सतह पर प्रवाहकीय हैं लेकिन अंदर से अछूता है,शून्य ऊर्जा हानि वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण को सक्षम करने और पारंपरिक अर्धचालकों की गर्मी उत्पादन की बाधा को दूर करने के लिए.
दो आयामी सामग्रीः
ग्राफीन और मोलिब्डेनम डिसल्फाइड (MoS2) जैसी सामग्री, जिनकी परमाणु स्तर की मोटाई अल्ट्रा-उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया और लचीली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए क्षमता को सक्षम करती है।
क्वांटम डॉट्स और फोटोनिक क्रिस्टल:
ऊर्जा बैंड संरचना को विनियमित करने के लिए क्वांटम कैद प्रभावों का उपयोग करना, प्रकाश, बिजली और गर्मी के बहुक्रियाशील एकीकरण को प्राप्त करना।
जैव अर्धचालक:
डीएनए या प्रोटीन पर आधारित स्व-संयोजित सामग्री, जैविक प्रणालियों और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट दोनों के साथ संगत।
मुख्य प्रेरक बल:
विघटनकारी तकनीकी मांगें, जैसे कृत्रिम बुद्धिमत्ता, मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफेस, और कमरे के तापमान में अतिचालकता,बुद्धिमान और जैव-संगत विकास की ओर अर्धचालकों को धक्का दे रहे हैं.
III. चीन के अवसर:
'पीछा करने' से 'एक-दूसरे के साथ दौड़ने' में
तकनीकी सफलताएं और औद्योगिक श्रृंखला का उपयोग
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तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक:
चीन ने 8 इंच के सीआईसी सब्सट्रेट का बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल किया है, जिसमें बीवाईडी जैसे कार निर्माताओं द्वारा सफलतापूर्वक ऑटोमोटिव-ग्रेड सीआईसी एमओएसएफईटी तैनात किए गए हैं।
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चौथी पीढ़ी के अर्धचालक:
शीआन पोस्ट और दूरसंचार विश्वविद्यालय और सीईटीसी 46 संस्थान जैसे संस्थानों ने 8 इंच गैलियम ऑक्साइड एपिटेक्सी तकनीक को तोड़ दिया है, जो दुनिया के अग्रणी खिलाड़ियों की रैंकों में शामिल हो गए हैं।
नीति और पूंजीगत सहायता
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राष्ट्रीय "14वीं पंचवर्षीय योजना" में तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों को एक प्रमुख क्षेत्र के रूप में नामित किया गया है।
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स्थानीय सरकारों ने सैकड़ों अरब युआन के उद्योग कोष स्थापित किए हैं।
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2024 की शीर्ष 10 तकनीकी प्रगति में, 6 ′′ 8 इंच के गैएन उपकरणों और गैलियम ऑक्साइड ट्रांजिस्टर जैसी उपलब्धियों को मान्यता दी गई, जो पूर्ण आपूर्ति श्रृंखला में सफलता का संकेत देती है।
IV. चुनौतियां और सफलता के मार्ग
तकनीकी बाधाएं
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सामग्री की तैयारी:
बड़े व्यास के एकल क्रिस्टल की वृद्धि में कम उपज दर होती है (उदाहरण के लिए, गैलियम ऑक्साइड क्रैकिंग के लिए प्रवण है) और दोष नियंत्रण बेहद चुनौतीपूर्ण है। -
उपकरण की विश्वसनीयता:
उच्च आवृत्ति और उच्च वोल्टेज स्थितियों में जीवनकाल परीक्षण के लिए मानक अभी तक पूरी तरह से स्थापित नहीं किए गए हैं, और ऑटोमोटिव-ग्रेड प्रमाणन लंबा है।
उद्योग श्रृंखला की कमियां
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आयातित उच्च अंत उपकरणों पर निर्भरता:
उदाहरण के लिए, सीआईसी क्रिस्टल वृद्धि भट्टियों के लिए घरेलू उत्पादन दर 20% से कम है। -
कमजोर अनुप्रयोग पारिस्थितिकी तंत्रः
डाउनस्ट्रीम कंपनियां अभी भी आयातित उपकरणों को पसंद करती हैं; घरेलू प्रतिस्थापन के लिए नीतिगत मार्गदर्शन की आवश्यकता होगी।
रणनीतिक विकास दृष्टिकोण
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मैंउद्योग-विश्वविद्यालय-अनुसंधान सहयोग:
"तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक गठबंधन" जैसे मॉडलों से सीखें," विश्वविद्यालयों (जैसे झेजियांग विश्वविद्यालय निंगबो प्रौद्योगिकी संस्थान) और उद्यमों के बीच सहयोग के माध्यम से संयुक्त रूप से मुख्य प्रौद्योगिकियों का सामना करना।. -
विभेदित प्रतिस्पर्धा:
पारंपरिक उद्योग दिग्गजों के साथ प्रत्यक्ष टकराव से बचने के लिए नई ऊर्जा और क्वांटम संचार जैसे वृद्धिशील बाजारों पर ध्यान केंद्रित करें। -
प्रतिभा की खेती:
विदेशों से शीर्ष विद्वानों को आकर्षित करने और "चिप विज्ञान और इंजीनियरिंग" जैसे विषयों के विकास को बढ़ावा देने के लिए विशेष निधि स्थापित करें।
सिलिकॉन से लेकर गैलियम ऑक्साइड तक, अर्धचालकों का विकास भौतिकी की सीमाओं को चुनौती देने वाली मानवता की एक गाथा है।
यदि चीन चौथी पीढ़ी के अर्धचालकों द्वारा प्रस्तुत अवसर की खिड़की को जब्त कर सकता है और पांचवीं पीढ़ी की सामग्री के लिए रणनीतिक रूप से खुद को तैनात कर सकता है,यह वैश्विक तकनीकी दौड़ में एक "लेन परिवर्तन ओवरटेकिंग" प्राप्त कर सकता है.
जैसा कि अकादमिक यांग डेरन ने कहा, "सच्चे नवाचार के लिए अनचाहे मार्गों पर चलने की हिम्मत की आवश्यकता होती है".
इस मार्ग पर, नीति, पूंजी और प्रौद्योगिकी का प्रतिध्वनि चीन के अर्धचालक उद्योग के भविष्य और सितारों और समुद्र की ओर इसकी यात्रा को निर्धारित करेगा।