Полупроводничките материјали еволуирале низ три трансформативни генерации:
Првата генерација (Si/Ge) ги постави темелите на модерната електроника,
Втората генерација (GaAs/InP) ги проби оптоелектронските и високофреквентните бариери за да ја поттикне информациската револуција,
Третата генерација (SiC/GaN) сега се справува со енергетските и екстремните еколошки предизвици, овозможувајќи јаглеродна неутралност и ера на 6G.
Оваа прогресија открива промена на парадигмата од разновидност кон специјализација во науката за материјали.
1. Полупроводници од прва генерација: силициум (Si) и германиум (Ge)
Историска позадина
Во 1947 година, Bell Labs го измислиле германиумскиот транзистор, означувајќи ја зората на ерата на полупроводниците. До 1950-тите, силициумот постепено го заменил германиумот како основа на интегрираните кола (IC) поради неговиот стабилен оксиден слој (SiO₂) и изобилните природни резерви.
Својства на материјалот
ⅠЕпизоден јаз:
Германиум: 0,67 eV (тесен енергетски јаз, склоност кон струја на истекување, слаби перформанси на високи температури).
Силициум: 1,12 eV (индиректен енергетски јаз, погоден за логички кола, но неспособен за емисија на светлина).
Ⅱ,Предности на силиконот:
Природно формира висококвалитетен оксид (SiO₂), што овозможува изработка на MOSFET.
Ниска цена и изобилство на земја (~28% од составот на кората).
Ⅲ,Ограничувања:
Ниска подвижност на електрони (само 1500 cm²/(V·s)), ограничувајќи ги перформансите на висока фреквенција.
Слаба толеранција на напон/температура (максимална работна температура ~150°C).
Клучни апликации
Ⅰ,Интегрирани кола (IC):
Процесорите, мемориските чипови (на пр., DRAM, NAND) се потпираат на силикон за висока густина на интеграција.
Пример: Интеловиот 4004 (1971), првиот комерцијален микропроцесор, користел силиконска технологија од 10μm.
Ⅱ,Напојувачки уреди:
Раните тиристори и нисконапонски MOSFET-и (на пр., напојувања за компјутери) биле базирани на силициум.
Предизвици и застареност
Германиумот беше постепено отстранет поради истекување и термичка нестабилност. Сепак, ограничувањата на силициумот во оптоелектрониката и апликациите со голема моќност го поттикнаа развојот на полупроводници од следната генерација.
2Полупроводници од втора генерација: Галиум арсенид (GaAs) и индиум фосфид (InP)
Позадина на развојот
Во текот на 1970-тите и 1980-тите, новите области како што се мобилните комуникации, оптичките мрежи и сателитската технологија создадоа голема побарувачка за високофреквентни и ефикасни оптоелектронски материјали. Ова го поттикна напредокот на полупроводниците со директен енергетски јаз како GaAs и InP.
Својства на материјалот
Просторен јаз и оптоелектронски перформанси:
GaAs: 1,42 eV (директен енергетски јаз, овозможува емисија на светлина - идеално за ласери/LED диоди).
InP: 1,34 eV (посоодветно за апликации со долга бранова должина, на пр., комуникации со оптички влакна од 1550nm).
Мобилност на електрони:
GaAs постигнува 8500 cm²/(V·s), далеку надминувајќи го силициумот (1500 cm²/(V·s)), што го прави оптимален за обработка на сигнали во опсег GHz.
Недостатоци
лКршливи подлоги: Потешки за производство од силикон; GaAs плочките чинат 10 пати повеќе.
лБез природен оксид: За разлика од SiO₂ на силициумот, GaAs/InP немаат стабилни оксиди, што го попречува производството на интегрирани интегрални клуни со висока густина.
Клучни апликации
лRF предни крајни делови:
Мобилни засилувачи на моќност (PA), сателитски примопредаватели (на пр., HEMT транзистори базирани на GaAs).
лОптоелектроника:
Ласерски диоди (CD/DVD драјвови), LED диоди (црвена/инфрацрвена), фибер-оптички модули (InP ласери).
лВселенски сончеви ќелии:
GaAs ќелиите постигнуваат ефикасност од 30% (наспроти ~20% за силициум, што е клучно за сателитите.
лТехнолошки тесни грла
Високите трошоци ги ограничуваат GaAs/InP на нишни апликации од висока класа, спречувајќи ги да ја заменат доминацијата на силиконот кај логичките чипови.
Полупроводници од трета генерација (полупроводници со широк појас): силициум карбид (SiC) и галиум нитрид (GaN)
Технолошки двигатели
Енергетска револуција: Електричните возила и интеграцијата на мрежата за обновлива енергија бараат поефикасни уреди за напојување.
Потреби за високи фреквенции: 5G комуникациите и радарските системи бараат повисоки фреквенции и густина на моќност.
Екстремни средини: Аерокосмичките и индустриските моторни апликации бараат материјали способни да издржат температури над 200°C.
Карактеристики на материјалот
Предности на широк опсег:
лSiC: енергетски јаз од 3,26 eV, јачина на дефектно електрично поле 10 пати поголема од онаа на силициумот, способен да издржи напони над 10 kV.
лGaN: енергетски јаз од 3,4 eV, подвижност на електрони од 2200 cm²/(V·s), одлично во перформансите на висока фреквенција.
Термичко управување:
Топлинската спроводливост на SiC достигнува 4,9 W/(cm·K), три пати подобра од силициумот, што го прави идеален за апликации со голема моќност.
Материјални предизвици
SiC: Бавниот раст на монокристалите бара температури над 2000°C, што резултира со дефекти на плочките и високи трошоци (6-инчна SiC плочките се 20 пати поскапи од силициумските).
GaN: Нема природен супстрат, често бара хетероепитаксија на сафир, SiC или силиконски супстрати, што доведува до проблеми со несовпаѓање на решетката.
Клучни апликации
Енергетска електроника:
Инвертори за електрични возила (на пр., Tesla Model 3 користи SiC MOSFET-и, подобрувајќи ја ефикасноста за 5–10%).
Станици/адаптери за брзо полнење (GaN уредите овозможуваат брзо полнење од 100W+, а воедно ја намалуваат големината за 50%).
RF уреди:
5G засилувачи на моќност на базни станици (GaN-on-SiC PA поддржуваат mmWave фреквенции).
Воен радар (GaN нуди 5 пати поголема густина на моќност од GaAs).
Оптоелектроника:
УВ LED диоди (AlGaN материјали што се користат при стерилизација и детекција на квалитет на вода).
Статус на индустријата и идни перспективи
SiC доминира на пазарот за висока моќност, со модули за автомобилска класа кои веќе се во масовно производство, иако трошоците остануваат пречка.
GaN брзо се шири во потрошувачката електроника (брзо полнење) и RF апликациите, преминувајќи кон 8-инчни плочки.
Новите материјали како галиум оксид (Ga₂O₃, енергетски јаз 4,8 eV) и дијамант (5,5 eV) можат да формираат „четврта генерација“ на полупроводници, поместувајќи ги ограничувањата на напонот над 20 kV.
Коегзистенција и синергија на полупроводнички генерации
Комплементарност, а не замена:
Силициумот останува доминантен кај логичките чипови и потрошувачката електроника (95% од глобалниот пазар на полупроводници).
GaAs и InP се специјализирани за високофреквентни и оптоелектронски ниши.
SiC/GaN се незаменливи во енергетските и индустриските апликации.
Примери за интеграција на технологија:
GaN-на-Si: Комбинира GaN со ефтини силиконски супстрати за брзо полнење и RF апликации.
SiC-IGBT хибридни модули: Подобрување на ефикасноста на конверзија на мрежата.
Идни трендови:
Хетерогена интеграција: Комбинирање на материјали (на пр., Si + GaN) на еден чип за да се балансираат перформансите и трошоците.
Материјалите со ултраширок енергетски јаз (на пр., Ga₂O₃, дијамант) можат да овозможат апликации за ултра-висок напон (>20kV) и квантно пресметување.
Поврзано производство
GaAs ласерска епитаксијална плочка 4 инчи 6 инчи
12-инчен SIC супстрат од силициум карбид со прајм степен, дијаметар од 300 mm, голема големина 4H-N, погодна за дисипација на топлина на уреди со голема моќност.
Време на објавување: 07.05.2025