Pusvadītāju materiāli ir attīstījušies trīs transformācijas paaudzēs:
1. paaudze (Si/Ge) lika pamatus mūsdienu elektronikai,
2. paaudze (GaAs/InP) pārvarēja optoelektroniskās un augstfrekvences barjeras, veicinot informācijas revolūciju.
3. paaudzes (SiC/GaN) tehnoloģijas tagad risina enerģētikas un ekstremālas vides problēmas, nodrošinot oglekļa neitralitāti un 6G ēru.
Šī progresija atklāj paradigmas maiņu no daudzpusības uz specializāciju materiālzinātnē.
1. Pirmās paaudzes pusvadītāji: silīcijs (Si) un germānijs (Ge)
Vēsturiskais fons
1947. gadā Bell Labs izgudroja germānija tranzistoru, iezīmējot pusvadītāju ēras sākumu. Līdz 20. gadsimta 50. gadiem silīcijs pakāpeniski aizstāja germānija pamatu integrētajās shēmās (IC), pateicoties tā stabilajam oksīda slānim (SiO₂) un bagātīgajām dabas rezervēm.
Materiāla īpašības
ⅠJoslas sprauga:
Germānijs: 0,67 eV (šaura joslas sprauga, tendence uz noplūdes strāvu, slikta veiktspēja augstā temperatūrā).
Silīcijs: 1,12 eV (netieša joslas sprauga, piemērota loģikas shēmām, bet nespēj izstarot gaismu).
II,Silīcija priekšrocības:
Dabiski veido augstas kvalitātes oksīdu (SiO₂), kas ļauj izgatavot MOSFET tranzistorus.
Zemas izmaksas un bagātīgs Zemes garozas sastāvs (~28% no Zemes garozas sastāva).
III,Ierobežojumi:
Zema elektronu mobilitāte (tikai 1500 cm²/(V·s)), kas ierobežo augstfrekvences veiktspēju.
Vāja sprieguma/temperatūras tolerance (maksimālā darba temperatūra ~150°C).
Galvenās lietojumprogrammas
II,Integrētās shēmas (IC):
CPU, atmiņas mikroshēmas (piemēram, DRAM, NAND) izmanto silīciju, lai nodrošinātu augstu integrācijas blīvumu.
Piemērs: Intel 4004 (1971), pirmais komerciālais mikroprocesors, izmantoja 10 μm silīcija tehnoloģiju.
II,Barošanas ierīces:
Agrīnie tiristori un zemsprieguma MOSFET tranzistori (piemēram, datoru barošanas avoti) bija uz silīcija bāzes.
Izaicinājumi un novecošana
Germānijs tika pakāpeniski izņemts no ražošanas noplūdes un termiskās nestabilitātes dēļ. Tomēr silīcija ierobežojumi optoelektronikā un lieljaudas lietojumos veicināja nākamās paaudzes pusvadītāju izstrādi.
Otrās paaudzes pusvadītāji: gallija arsenīds (GaAs) un indija fosfīds (InP)
Izstrādes fons
Septiņdesmitajos un astoņdesmitajos gados tādas jaunās jomas kā mobilās komunikācijas, optisko šķiedru tīkli un satelītu tehnoloģijas radīja steidzamu pieprasījumu pēc augstfrekvences un efektīviem optoelektroniskiem materiāliem. Tas veicināja tādu tiešo joslas spraugas pusvadītāju kā GaAs un InP attīstību.
Materiāla īpašības
Joslas sprauga un optoelektroniskā veiktspēja:
GaAs: 1,42 eV (tieša joslas sprauga, nodrošina gaismas emisiju — ideāli piemērots lāzeriem/LED).
InP: 1,34 eV (labāk piemērots lietojumiem ar gariem viļņiem, piemēram, 1550 nm optiskās šķiedras sakariem).
Elektronu mobilitāte:
GaAs sasniedz 8500 cm²/(V·s), kas ievērojami pārsniedz silīciju (1500 cm²/(V·s)), padarot to optimālu GHz diapazona signālu apstrādei.
Trūkumi
lTrausli substrāti: grūtāk izgatavojami nekā silīcijs; GaAs plātnes maksā 10 reizes vairāk.
lNav dabīgā oksīda: atšķirībā no silīcija SiO₂, GaAs/InP trūkst stabilu oksīdu, kas kavē augsta blīvuma IC izgatavošanu.
Galvenās lietojumprogrammas
lRF priekšējās daļas:
Mobilie jaudas pastiprinātāji (PA), satelītu raidītāji/uztvērēji (piemēram, uz GaAs bāzes veidoti HEMT tranzistori).
lOptoelektronika:
Lāzerdiodes (CD/DVD diskdziņi), gaismas diodes (sarkanas/infrasarkanas), optiskās šķiedras moduļi (InP lāzeri).
lKosmosa saules baterijas:
GaAs šūnas sasniedz 30 % efektivitāti (salīdzinājumā ar ~20 % silīcija gadījumā), kas ir ļoti svarīgi satelītiem.
lTehnoloģiskās vājās vietas
Augstās izmaksas ierobežo GaAs/InP izmantošanu nišas augstas klases lietojumprogrammās, neļaujot tiem aizstāt silīcija dominējošo stāvokli loģiskajās mikroshēmās.
Trešās paaudzes pusvadītāji (platjoslas pusvadītāji): silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN)
Tehnoloģiju virzītājspēki
Enerģijas revolūcija: Elektrotransportlīdzekļi un atjaunojamās enerģijas tīkla integrācija prasa efektīvākas enerģijas ierīces.
Augstas frekvences vajadzības: 5G sakaru un radaru sistēmām ir nepieciešamas augstākas frekvences un jaudas blīvums.
Ekstrēmās vides: Aviācijas un rūpniecisko motoru lietojumprogrammām ir nepieciešami materiāli, kas spēj izturēt temperatūru, kas pārsniedz 200 °C.
Materiāla raksturojums
Plašas joslas atstarpes priekšrocības:
lSiC: joslas sprauga 3,26 eV, sabrukšanas elektriskā lauka stiprums 10 × lielāks nekā silīcijam, spēj izturēt spriegumu virs 10 kV.
lGaN: joslas sprauga 3,4 eV, elektronu mobilitāte 2200 cm²/(V·s), izcila augstfrekvences veiktspēja.
Termiskā pārvaldība:
SiC siltumvadītspēja sasniedz 4,9 W/(cm·K), kas ir trīs reizes labāk nekā silīcijam, padarot to ideāli piemērotu lieljaudas lietojumiem.
Materiālās problēmas
SiC: Lēnai monokristāla augšanai nepieciešama temperatūra virs 2000 °C, kā rezultātā rodas plāksnīšu defekti un augstas izmaksas (6 collu SiC plāksne ir 20 reizes dārgāka nekā silīcijs).
GaN: Trūkst dabiska substrāta, bieži vien nepieciešama heteroepitaksija uz safīra, SiC vai silīcija substrātiem, kā rezultātā rodas režģa neatbilstības problēmas.
Galvenās lietojumprogrammas
Jaudas elektronika:
Elektroautomobiļu invertori (piemēram, Tesla Model 3 izmanto SiC MOSFET tranzistori, uzlabojot efektivitāti par 5–10 %).
Ātrās uzlādes stacijas/adapteri (GaN ierīces nodrošina ātru uzlādi ar jaudu 100 W+, vienlaikus samazinot izmēru par 50 %).
RF ierīces:
5G bāzes stacijas jaudas pastiprinātāji (GaN-on-SiC PA atbalsta mmWave frekvences).
Militārais radars (GaN piedāvā 5 reizes lielāku jaudas blīvumu nekā GaAs).
Optoelektronika:
UV gaismas diodes (AlGaN materiāli, ko izmanto sterilizācijā un ūdens kvalitātes noteikšanā).
Nozares stāvoklis un nākotnes perspektīvas
SiC dominē lieljaudas tirgū, un automobiļu klases moduļi jau ir masveida ražošanā, lai gan izmaksas joprojām ir šķērslis.
GaN strauji paplašinās plaša patēriņa elektronikas (ātrās uzlādes) un radiofrekvenču (RF) lietojumprogrammās, pārejot uz 8 collu vafeļu izmantošanu.
Jaunie materiāli, piemēram, gallija oksīds (Ga₂O₃, joslas sprauga 4,8 eV) un dimants (5,5 eV), var veidot pusvadītāju "ceturto paaudzi", pārsniedzot sprieguma robežas virs 20 kV.
Pusvadītāju paaudžu līdzāspastāvēšana un sinerģija
Papildināmība, nevis aizstāšana:
Silīcijs joprojām dominē loģisko mikroshēmu un plaša patēriņa elektronikas jomā (95 % no pasaules pusvadītāju tirgus).
GaAs un InP specializējas augstfrekvences un optoelektronikas nišās.
SiC/GaN ir neaizstājami enerģētikas un rūpniecības lietojumos.
Tehnoloģiju integrācijas piemēri:
GaN-on-Si: apvieno GaN ar lētiem silīcija substrātiem ātrai uzlādei un RF lietojumprogrammām.
SiC-IGBT hibrīdmoduļi: uzlabo tīkla pārveidošanas efektivitāti.
Nākotnes tendences:
Heterogēna integrācija: Materiālu (piemēram, Si + GaN) apvienošana vienā mikroshēmā, lai līdzsvarotu veiktspēju un izmaksas.
Īpaši platas joslas joslas materiāli (piemēram, Ga₂O₃, dimants) varētu nodrošināt īpaši augsta sprieguma (>20 kV) un kvantu skaitļošanas lietojumprogrammas.
Saistītā ražošana
GaAs lāzera epitaksiālā plāksne 4 collas 6 collas
12 collu SIC substrāts silīcija karbīdam, augstākās kvalitātes diametrs 300 mm, liels izmērs 4H-N, piemērots lielas jaudas ierīču siltuma izkliedei
Publicēšanas laiks: 2025. gada 7. maijs