Напівпровідникові матеріали пройшли три трансформаційні покоління:
1-е покоління (Si/Ge) заклало основу сучасної електроніки,
Друге покоління (GaAs/InP) подолало оптоелектронні та високочастотні бар'єри, щоб забезпечити інформаційну революцію,
3-тє покоління (SiC/GaN) тепер вирішує проблеми енергетики та екстремальних екологічних умов, забезпечуючи вуглецеву нейтральність та еру 6G.
Цей прогрес демонструє зміну парадигми від універсальності до спеціалізації в матеріалознавстві.
1. Напівпровідники першого покоління: кремній (Si) та германій (Ge)
Історична довідка
У 1947 році лабораторія Bell Labs винайшла германієвий транзистор, що ознаменувало початок ери напівпровідників. До 1950-х років кремній поступово замінив германій як основу інтегральних схем (ІС) завдяки своєму стабільному оксидному шару (SiO₂) та численним природним запасам.
Властивості матеріалу
ⅠШирина забороненої зони:
Германій: 0,67 еВ (вузька заборонена зона, схильність до струму витоку, погані характеристики за високих температур).
Кремній: 1,12 еВ (непряма заборонена зона, придатний для логічних схем, але не здатний випромінювати світло).
II.Переваги кремнію:
Природним чином утворює високоякісний оксид (SiO₂), що дозволяє виготовляти MOSFET.
Низька вартість та поширеність на Землі (~28% від складу земної кори).
Ⅲ,Обмеження:
Низька рухливість електронів (лише 1500 см²/(В·с)), що обмежує високочастотну продуктивність.
Слабка стійкість до напруги/температури (максимальна робоча температура ~150°C).
Ключові застосування
Ⅰ,Інтегральні схеми (ІС):
Процесори, мікросхеми пам'яті (наприклад, DRAM, NAND) використовують кремній для забезпечення високої щільності інтеграції.
Приклад: Intel 4004 (1971), перший комерційний мікропроцесор, використовував кремнієву технологію 10 мкм.
II.Силові пристрої:
Ранні тиристори та низьковольтні MOSFET (наприклад, блоки живлення ПК) були на основі кремнію.
Проблеми та застарівання
Германій поступово вивели з виробництва через витік та термічну нестабільність. Однак обмеження кремнію в оптоелектроніці та потужних пристроях стимулювали розробку напівпровідників наступного покоління.
2Напівпровідники другого покоління: арсенід галію (GaAs) та фосфід індію (InP)
Передумови розробки
Протягом 1970-х–1980-х років такі нові галузі, як мобільний зв'язок, волоконно-оптичні мережі та супутникові технології, створили нагальний попит на високочастотні та ефективні оптоелектронні матеріали. Це сприяло розвитку напівпровідників з прямою забороненою зоною, таких як GaAs та InP.
Властивості матеріалу
Ширина забороненої зони та оптоелектронні характеристики:
GaAs: 1,42 еВ (пряма заборонена зона, забезпечує випромінювання світла — ідеально підходить для лазерів/світлодіодів).
InP: 1,34 еВ (краще підходить для застосувань на довгих хвилях, наприклад, для волоконно-оптичного зв'язку 1550 нм).
Рухливість електронів:
GaAs досягає 8500 см²/(В·с), що значно перевершує кремній (1500 см²/(В·с)), що робить його оптимальним для обробки сигналів у діапазоні ГГц.
Недоліки
лКрихкі підкладки: складніші у виробництві, ніж кремнієві; пластини GaAs коштують у 10 разів дорожче.
лВідсутність природного оксиду: на відміну від кремнієвого SiO₂, GaAs/InP не містить стабільних оксидів, що перешкоджає виготовленню високощільних інтегральних схем.
Ключові застосування
лРФ-інтерфейси:
Мобільні підсилювачі потужності (ПА), супутникові приймачі (наприклад, HEMT-транзистори на основі GaAs).
лОптоелектроніка:
Лазерні діоди (CD/DVD-приводи), світлодіоди (червоні/інфрачервоні), волоконно-оптичні модулі (InP-лазери).
лКосмічні сонячні елементи:
GaAs-елементи досягають 30% ефективності (порівняно з ~20% для кремнію), що є вирішальним для супутників.
лТехнологічні вузькі місця
Висока вартість обмежує використання GaAs/InP нішевими високоякісними застосуваннями, не даючи їм витіснити домінування кремнію в логічних мікросхемах.
Напівпровідники третього покоління (широкозонні напівпровідники): карбід кремнію (SiC) та нітрид галію (GaN)
Технологічні драйвери
Енергетична революція: електромобілі та інтеграція з мережами відновлюваної енергії вимагають більш ефективних енергетичних пристроїв.
Потреби у високих частотах: Системи зв'язку та радіолокації 5G потребують вищих частот та щільності потужності.
Екстремальні умови: Для аерокосмічної галузі та промислових двигунів потрібні матеріали, здатні витримувати температури понад 200°C.
Характеристики матеріалу
Переваги широкосмугової забороненої зони:
лSiC: ширина забороненої зони 3,26 еВ, напруженість пробивного електричного поля в 10 разів більша, ніж у кремнію, здатний витримувати напругу понад 10 кВ.
лGaN: ширина забороненої зони 3,4 еВ, рухливість електронів 2200 см²/(В·с), відмінні високочастотні характеристики.
Термічний менеджмент:
Теплопровідність SiC досягає 4,9 Вт/(см·K), що втричі краще, ніж у кремнію, що робить його ідеальним для застосувань з високою потужністю.
Матеріальні виклики
SiC: Повільний ріст монокристалів вимагає температур вище 2000°C, що призводить до дефектів пластин та високої вартості (6-дюймова пластина SiC у 20 разів дорожча за кремнієву).
GaN: не має природної підкладки, що часто вимагає гетероепітаксії на сапфірових, SiC або кремнієвих підкладках, що призводить до проблем з невідповідністю кристалічних решіток.
Ключові застосування
Силова електроніка:
Інвертори для електромобілів (наприклад, Tesla Model 3 використовує SiC MOSFET, що підвищує ефективність на 5–10%).
Станції/адаптери швидкої зарядки (пристрої GaN забезпечують швидку зарядку потужністю 100 Вт+, зменшуючи при цьому розмір на 50%).
Радіочастотні пристрої:
Підсилювачі потужності базових станцій 5G (підсилювачі потужності GaN-на-SiC підтримують міліметрові хвилі).
Військовий радар (GaN пропонує в 5 разів більшу щільність потужності, ніж GaAs).
Оптоелектроніка:
УФ-світлодіоди (матеріали AlGaN, що використовуються для стерилізації та визначення якості води).
Стан галузі та перспективи на майбутнє
Карбід кремнію домінує на ринку високопотужних елементів, а модулі автомобільного класу вже масово виробляються, хоча витрати залишаються перешкодою.
GaN швидко поширюється в побутовій електроніці (швидка зарядка) та радіочастотних застосуваннях, переходячи до 8-дюймових пластин.
Новітні матеріали, такі як оксид галію (Ga₂O₃, ширина забороненої зони 4,8 еВ) та алмаз (5,5 еВ), можуть утворити «четверте покоління» напівпровідників, розширюючи межі напруги за межі 20 кВ.
Співіснування та синергія поколінь напівпровідників
Доповнюваність, а не заміна:
Кремній залишається домінуючим у логічних мікросхемах та побутовій електроніці (95% світового ринку напівпровідників).
GaAs та InP спеціалізуються на високочастотній та оптоелектронній нішах.
SiC/GaN незамінні в енергетиці та промисловості.
Приклади інтеграції технологій:
GaN-на-Si: поєднує GaN з недорогими кремнієвими підкладками для швидкої зарядки та радіочастотних застосувань.
Гібридні модулі SiC-IGBT: Підвищення ефективності перетворення мережі.
Майбутні тенденції:
Гетерогенна інтеграція: поєднання матеріалів (наприклад, Si + GaN) на одному чіпі для балансування продуктивності та вартості.
Матеріали з надширокою забороненою зоною (наприклад, Ga₂O₃, алмаз) можуть забезпечити застосування в надвисоковольтних (>20 кВ) та квантових обчисленнях.
Супутнє виробництво
Лазерна епітаксіальна пластина GaAs 4 дюйми 6 дюймів
12-дюймова підкладка SIC з карбіду кремнію вищого сорту, діаметр 300 мм, великий розмір 4H-N, підходить для розсіювання тепла пристроями високої потужності
Час публікації: 07 травня 2025 р.