Puslaidininkinės medžiagos vystėsi per tris transformacines kartas:
Pirmoji karta (Si/Ge) padėjo šiuolaikinės elektronikos pamatus.
Antrosios kartos (GaAs/InP) technologija įveikė optoelektronikos ir aukšto dažnio barjerus, skatindama informacinę revoliuciją.
Trečiosios kartos (SiC/GaN) technologijos dabar sprendžia energetikos ir ekstremalių aplinkos sąlygų iššūkius, sudarydamos sąlygas anglies dioksido neutralumui ir 6G erai.
Ši progresija atskleidžia paradigmos poslinkį nuo universalumo prie specializacijos medžiagų moksle.
1. Pirmosios kartos puslaidininkiai: silicis (Si) ir germanis (Ge)
Istorinis kontekstas
1947 m. „Bell Labs“ išrado germanio tranzistorių, taip pradėdama puslaidininkių erą. Iki šeštojo dešimtmečio silicis dėl savo stabilaus oksido sluoksnio (SiO₂) ir gausių gamtinių atsargų palaipsniui pakeitė germanį kaip integrinių grandynų (IC) pagrindą.
Medžiagos savybės
ⅠJuostos tarpas:
Germanis: 0,67 eV (siaura draudžiamoji zona, linkęs į nuotėkio srovę, prastas veikimas aukštoje temperatūroje).
Silicis: 1,12 eV (netiesioginė draudžiamoji juosta, tinka loginėms grandinėms, bet negali skleisti šviesos).
II,Silicio privalumai:
Natūraliai sudaro aukštos kokybės oksidą (SiO₂), kuris leidžia gaminti MOSFET tranzistorius.
Maža kaina ir gausu žemės plutos (~28% plutos sudėties).
III,Apribojimai:
Mažas elektronų judrumas (tik 1500 cm²/(V·s)), ribojantis aukšto dažnio veikimą.
Silpna įtampos / temperatūros tolerancija (maksimali darbinė temperatūra ~150 °C).
Pagrindinės programos
II,Integriniai grandynai (IC):
Centriniai procesoriai, atminties lustai (pvz., DRAM, NAND) naudoja silicį, kad būtų pasiektas didelis integracijos tankis.
Pavyzdys: „Intel 4004“ (1971 m.), pirmasis komercinis mikroprocesorius, naudojo 10 μm silicio technologiją.
II,Maitinimo įrenginiai:
Ankstyvieji tiristoriai ir žemos įtampos MOSFETai (pvz., kompiuterių maitinimo šaltiniai) buvo pagaminti iš silicio.
Iššūkiai ir pasenimas
Dėl nuotėkio ir terminio nestabilumo germanio gamyba buvo nutraukta. Tačiau silicio ribotos galimybės optoelektronikoje ir didelės galios taikymuose paskatino naujos kartos puslaidininkių kūrimą.
2Antrosios kartos puslaidininkiai: galio arsenidas (GaAs) ir indžio fosfidas (InP)
Plėtros fonas
Aštuntajame–devintajame dešimtmečiuose tokios naujos sritys kaip mobilusis ryšys, optinių skaidulų tinklai ir palydovinės technologijos sukūrė neatidėliotiną aukšto dažnio ir efektyvių optoelektroninių medžiagų paklausą. Tai paskatino tiesioginio draustinio tarpo puslaidininkių, tokių kaip GaAs ir InP, plėtrą.
Medžiagos savybės
Drąsos tarpas ir optoelektroninis veikimas:
GaAs: 1,42 eV (tiesioginė draudžiamoji zona, leidžia skleisti šviesą – idealiai tinka lazeriams / šviesos diodams).
InP: 1,34 eV (geriau tinka ilgo bangos ilgio taikymams, pvz., 1550 nm šviesolaidiniam ryšiui).
Elektronų judrumas:
GaAs pasiekia 8500 cm²/(V·s), gerokai lenkdamas silicį (1500 cm²/(V·s)), todėl yra optimalus GHz diapazono signalų apdorojimui.
Trūkumai
lTrapūs pagrindai: juos sunkiau pagaminti nei silicį; GaAs plokštelės kainuoja 10 kartų daugiau.
lNėra natūralaus oksido: Skirtingai nuo silicio SiO₂, GaAs/InP neturi stabilių oksidų, o tai trukdo gaminti didelio tankio IC.
Pagrindinės programos
lRF priekiniai įrenginiai:
Mobilieji galios stiprintuvai (PA), palydoviniai siųstuvai-imtuvai (pvz., GaAs pagrindu sukurti HEMT tranzistoriai).
lOptoelektronika:
Lazeriniai diodai (CD/DVD įrenginiai), šviesos diodai (raudoni/infraraudonieji), šviesolaidiniai moduliai (InP lazeriai).
lKosminės saulės baterijos:
GaAs elementai pasiekia 30 % efektyvumą (palyginti su ~20 % silicio), o tai labai svarbu palydovams.
lTechnologiniai kliūtys
Dėl didelių sąnaudų GaAs/InP naudojamos tik nišinėse, aukštos klasės srityse, todėl jie negali išstumti silicio dominavimo loginių lustų srityje.
Trečiosios kartos puslaidininkiai (plačiajuosčiai puslaidininkiai): silicio karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN)
Technologijų varikliai
Energetikos revoliucija: elektra varomoms transporto priemonėms ir atsinaujinančios energijos tinklo integravimui reikalingi efektyvesni energijos įrenginiai.
Aukšto dažnio poreikiai: 5G ryšio ir radarų sistemoms reikalingi aukštesni dažniai ir galios tankis.
Ekstremalios aplinkos: Aviacijos ir kosmoso bei pramoninių variklių reikmėms reikalingos medžiagos, galinčios atlaikyti aukštesnę nei 200 °C temperatūrą.
Medžiagų charakteristikos
Plataus draudžiamojo tarpo privalumai:
lSiC: Drąsos tarpas 3,26 eV, pramušimo elektrinio lauko stipris 10 kartų didesnis nei silicio, galintis atlaikyti didesnę nei 10 kV įtampą.
lGaN: Drąstinė juosta – 3,4 eV, elektronų judrumas – 2200 cm²/(V·s), pasižymintis puikiu aukšto dažnio veikimu.
Šilumos valdymas:
SiC šilumos laidumas siekia 4,9 W/(cm·K) – tris kartus geresnis nei silicio, todėl jis idealiai tinka didelės galios taikymams.
Materialiniai iššūkiai
SiC: Lėtam monokristalų augimui reikalinga aukštesnė nei 2000 °C temperatūra, dėl kurios atsiranda plokštelių defektų ir didelės sąnaudos (6 colių SiC plokštelė yra 20 kartų brangesnė nei silicio).
GaN: trūksta natūralaus substrato, dažnai reikalinga heteroepitaksija safyro, SiC arba silicio substratuose, dėl ko kyla gardelės neatitikimo problemų.
Pagrindinės programos
Galios elektronika:
Elektromobilių keitikliai (pvz., „Tesla Model 3“ naudoja SiC MOSFETus, kurie padidina efektyvumą 5–10 %).
Greito įkrovimo stotelės / adapteriai (GaN įrenginiai leidžia greitai įkrauti daugiau nei 100 W galia, tuo pačiu sumažindami dydį 50 %).
RF įrenginiai:
5G bazinių stočių galios stiprintuvai (GaN ant SiC PA palaiko mmWave dažnius).
Karinis radaras (GaN siūlo 5 kartus didesnį galios tankį nei GaAs).
Optoelektronika:
UV šviesos diodai (AlGaN medžiagos, naudojamos sterilizavimui ir vandens kokybės nustatymui).
Pramonės padėtis ir ateities perspektyvos
SiC dominuoja didelės galios rinkoje, o automobilių pramonei skirti moduliai jau yra masiškai gaminami, nors išlaidos išlieka kliūtimi.
GaN sparčiai plečiasi plataus vartojimo elektronikos (greito įkrovimo) ir radijo dažnių (RF) srityse, pereidamas prie 8 colių plokštelių.
Naujos medžiagos, tokios kaip galio oksidas (Ga₂O₃, draudžiamoji zona 4,8 eV) ir deimantas (5,5 eV), gali sudaryti „ketvirtosios kartos“ puslaidininkius, peržengiančius įtampos ribas virš 20 kV.
Puslaidininkių kartų sambūvis ir sinergija
Papildomumas, o ne pakeitimas:
Silicis išlieka dominuojantis loginių lustų ir plataus vartojimo elektronikos srityse (95 % pasaulinės puslaidininkių rinkos).
GaAs ir InP specializuojasi aukšto dažnio ir optoelektronikos nišose.
SiC/GaN yra nepakeičiami energetikos ir pramonės srityse.
Technologijų integracijos pavyzdžiai:
GaN-on-Si: sujungia GaN su nebrangiais silicio pagrindais greitam įkrovimui ir radijo dažnių taikymams.
SiC-IGBT hibridiniai moduliai: pagerina tinklo konversijos efektyvumą.
Ateities tendencijos:
Heterogeninė integracija: medžiagų (pvz., Si + GaN) sujungimas viename luste, siekiant subalansuoti našumą ir kainą.
Itin plataus draudžiamojo tarpo medžiagos (pvz., Ga₂O₃, deimantas) gali sudaryti sąlygas itin aukštos įtampos (> 20 kV) ir kvantinių skaičiavimų taikymams.
Susijusi gamyba
GaAs lazerinė epitaksinė plokštelė 4 colių 6 colių
12 colių SIC substrato silicio karbido aukščiausios kokybės skersmuo 300 mm, didelis dydis 4H-N, tinka didelės galios įrenginių šilumos išsklaidymui
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 7 d.