Паўправадніковыя матэрыялы прайшлі тры трансфармацыйныя пакаленні:
Першае пакаленне (Si/Ge) заклала падмурак сучаснай электронікі,
Другое пакаленне (GaAs/InP) прарвала оптаэлектронныя і высокачастотныя бар'еры, каб падтрымаць інфармацыйную рэвалюцыю,
Трэцяе пакаленне (SiC/GaN) цяпер вырашае праблемы энергетыкі і экстрэмальных навакольных асяроддзяў, спрыяючы вугляроднай нейтральнасці і эры 6G.
Гэты прагрэс дэманструе змену парадыгмы ад універсальнасці да спецыялізацыі ў матэрыялазнаўстве.
1. Паўправаднікі першага пакалення: крэмній (Si) і германій (Ge)
Гістарычная даведка
У 1947 годзе лабараторыя Bell Labs вынайшла германіевы транзістар, што паклала пачатак эры паўправаднікоў. Да 1950-х гадоў крэмній паступова замяніў германій у якасці асновы інтэгральных схем (ІС) дзякуючы свайму стабільнаму аксіднаму пласту (SiO₂) і багатым прыродным запасам.
Уласцівасці матэрыялу
ⅠЗабароненая зона:
Германій: 0,67 эВ (вузкая забароненая зона, схільнасць да току ўцечкі, дрэнныя характарыстыкі пры высокіх тэмпературах).
Крэмній: 1,12 эВ (непрамая забароненая зона, падыходзіць для лагічных схем, але не здольны выпраменьваць святло).
II,Перавагі сілікону:
Натуральна ўтварае высакаякасны аксід (SiO₂), што дазваляе вырабляць MOSFET.
Нізкі кошт і распаўсюджанасць на Зямлі (~28% ад складу зямной кары).
Ⅲ,Абмежаванні:
Нізкая рухомасць электронаў (толькі 1500 см²/(В·с)), што абмяжоўвае высокачастотную прадукцыйнасць.
Слабая талерантнасць да напружання/тэмпературы (максімальная рабочая тэмпература ~150°C).
Асноўныя сферы прымянення
Ⅰ,Інтэгральныя схемы (ІС):
Працэсары, мікрасхемы памяці (напрыклад, DRAM, NAND) выкарыстоўваюць крэмній для высокай шчыльнасці інтэграцыі.
Прыклад: першы камерцыйны мікрапрацэсар Intel 4004 (1971) выкарыстаў крэмніевую тэхналогію 10 мкм.
II,Прылады харчавання:
Раннія тырыстары і нізкавольтныя MOSFET (напрыклад, блокі харчавання для ПК) былі на аснове крэмнію.
Праблемы і састарэнне
Германій быў паступова выведзены з вытворчасці з-за ўцечкі і тэрмічнай нестабільнасці. Аднак абмежаванні крэмнію ў оптаэлектроніцы і прымяненні ў прыладах высокай магутнасці стымулявалі распрацоўку паўправаднікоў наступнага пакалення.
Паўправаднікі другога пакалення: арсенід галію (GaAs) і фасфід індыю (InP)
Перадгісторыя распрацоўкі
У 1970-я–1980-я гады такія новыя галіны, як мабільная сувязь, валаконна-аптычныя сеткі і спадарожнікавыя тэхналогіі, стварылі востры попыт на высокачастотныя і эфектыўныя оптаэлектронныя матэрыялы. Гэта стымулявала развіццё паўправаднікоў з прамой забароненай зонай, такіх як GaAs і InP.
Уласцівасці матэрыялу
Забароненая зона і оптаэлектронныя характарыстыкі:
GaAs: 1,42 эВ (шырыня забароненай зоны прамая, дазваляе выпраменьванне святла — ідэальна падыходзіць для лазераў/святлодыёдаў).
InP: 1,34 эВ (лепш падыходзіць для прымянення ў галіне даўгахваль, напрыклад, для валаконна-аптычнай сувязі 1550 нм).
Рухомасць электронаў:
GaAs дасягае 8500 см²/(В·с), значна пераўзыходзячы крэмній (1500 см²/(В·с)), што робіць яго аптымальным для апрацоўкі сігналаў у дыяпазоне ГГц.
Недахопы
лДалікатныя падкладкі: цяжэй вырабляць, чым крэмній; пласціны GaAs каштуюць у 10 разоў даражэй.
лАдсутнасць натуральнага аксіду: у адрозненне ад крэмніевага SiO₂, GaAs/InP не ўтрымлівае стабільных аксідаў, што перашкаджае вырабу інтэгральных схем высокай шчыльнасці.
Асноўныя сферы прымянення
лРЧ-пярэднія прылады:
Мабільныя ўзмацняльнікі магутнасці (ПА), спадарожнікавыя прыёмаперадатчыкі (напрыклад, HEMT-транзістары на аснове GaAs).
лОптаэлектроніка:
Лазерныя дыёды (прывады CD/DVD), святлодыёды (чырвоныя/інфрачырвоныя), валаконна-аптычныя модулі (InP-лазеры).
лКасмічныя сонечныя батарэі:
GaAs-элементы дасягаюць эфектыўнасці 30% (у параўнанні з ~20% для крэмніевых), што вельмі важна для спадарожнікаў.
лТэхналагічныя вузкія месцы
Высокі кошт абмяжоўвае GaAs/InP нішавымі высокакласнымі прымяненнямі, не даючы ім выцесніць дамінаванне крэмнію ў лагічных чыпах.
Паўправаднікі трэцяга пакалення (шыроказонныя паўправаднікі): карбід крэмнію (SiC) і нітрыд галію (GaN)
Тэхналагічныя драйверы
Энергетычная рэвалюцыя: электрамабілі і інтэграцыя з сеткамі аднаўляльных крыніц энергіі патрабуюць больш эфектыўных электрычных прылад.
Патрэбы ў высокіх частотах: сістэмы сувязі і радыёлакацыі 5G патрабуюць больш высокіх частот і шчыльнасці магутнасці.
Экстрэмальныя ўмовы: для аэракасмічнай прамысловасці і прамысловых рухавікоў патрэбныя матэрыялы, здольныя вытрымліваць тэмпературу вышэй за 200°C.
Характарыстыкі матэрыялу
Перавагі шырокай забароненай зоны:
лSiC: шырыня забароненай зоны 3,26 эВ, напружанасць прабойнага электрычнага поля ў 10 разоў большая, чым у крэмнію, здольны вытрымліваць напружанне больш за 10 кВ.
лGaN: шырыня забароненай зоны 3,4 эВ, рухомасць электронаў 2200 см²/(В·с), выдатныя характарыстыкі на высокіх частотах.
Тэрмаўлічнае кіраванне:
Цеплаправоднасць SiC дасягае 4,9 Вт/(см·K), што ў тры разы лепш, чым у крэмнію, што робіць яго ідэальным для выкарыстання ў магутных прыборах.
Матэрыяльныя праблемы
SiC: павольны рост монакрышталяў патрабуе тэмпературы вышэй за 2000°C, што прыводзіць да дэфектаў пласцін і высокага кошту (6-цалевая пласціна SiC у 20 разоў даражэйшая за крэмніевую).
GaN: не мае натуральнай падкладкі, часта патрабуе гетэраэпітаксіі на падкладках з сапфіру, карбіду крэмнію або крэмнію, што прыводзіць да праблем з неадпаведнасцю рашоткі.
Асноўныя сферы прымянення
Сілавое электроніка:
Інвертары для электрамабіляў (напрыклад, Tesla Model 3 выкарыстоўвае SiC MOSFET, што павышае эфектыўнасць на 5–10%).
Станцыі/адаптары хуткай зарадкі (прылады GaN дазваляюць хутка зараджацца магутнасцю 100 Вт і больш, памяншаючы пры гэтым памер на 50%).
радыёчастотныя прылады:
Узмацняльнікі магутнасці базавых станцый 5G (GaN-на-SiC PA падтрымліваюць міліметровыя хвалі).
Ваенны радар (GaN мае шчыльнасць магутнасці ў 5 разоў большую, чым GaAs).
Оптаэлектроніка:
УФ-святлодыёды (матэрыялы AlGaN, якія выкарыстоўваюцца для стэрылізацыі і вызначэння якасці вады).
Стан галіны і перспектывы на будучыню
Карбід крэмнію дамінуе на рынку магутных акумулятараў, прычым модулі аўтамабільнага класа ўжо вырабляюцца масава, хоць кошт застаецца перашкодай.
GaN хутка пашыраецца ў бытавой электроніцы (хуткая зарадка) і радыёчастотных прымяненнях, пераходзячы ў бок 8-цалевых пласцін.
Новыя матэрыялы, такія як аксід галію (Ga₂O₃, шырыня забароненай зоны 4,8 эВ) і алмаз (5,5 эВ), могуць утварыць «чацвёртае пакаленне» паўправаднікоў, пашыраючы межы напружання за 20 кВ.
Суіснаванне і сінергія паўправадніковых пакаленняў
Дапаўняльнасць, а не замена:
Крэмній застаецца дамінантным у лагічных мікрасхемах і бытавой электроніцы (95% сусветнага рынку паўправаднікоў).
GaAs і InP спецыялізуюцца на высокачастотнай і оптаэлектроннай нішах.
SiC/GaN незаменныя ў энергетыцы і прамысловасці.
Прыклады інтэграцыі тэхналогій:
GaN-на-Si: спалучае GaN з недарагімі крэмніевымі падкладкамі для хуткай зарадкі і радыёчастотных прымяненняў.
Гібрыдныя модулі SiC-IGBT: Паляпшэнне эфектыўнасці пераўтварэння сеткі.
Будучыя тэндэнцыі:
Гетэрагенная інтэграцыя: спалучэнне матэрыялаў (напрыклад, Si + GaN) на адным чыпе для балансавання прадукцыйнасці і кошту.
Матэрыялы з звышшырокай забароненай зонай (напрыклад, Ga₂O₃, алмаз) могуць дазволіць выкарыстоўваць іх для звышвысокага напружання (>20 кВ) і квантавых вылічэнняў.
Звязаная вытворчасць
Лазерная эпітаксіяльная пласціна GaAs 4 цалі 6 цаляў
12-цалевая падкладка з карбіду крэмнію SIC, дыяметр 300 мм, вялікі памер 4H-N, падыходзіць для рассейвання цяпла прыладамі высокай магутнасці
Час публікацыі: 07 мая 2025 г.