Poluvodički materijali su evoluirali kroz tri transformativne generacije:
Prva generacija (Si/Ge) postavila je temelje moderne elektronike,
Druga generacija (GaAs/InP) probila je optoelektroničke i visokofrekventne barijere kako bi pokrenula informacijsku revoluciju,
Treća generacija (SiC/GaN) sada se bavi energetskim i ekstremnim ekološkim izazovima, omogućujući ugljičnu neutralnost i eru 6G mreže.
Ovaj napredak otkriva promjenu paradigme od svestranosti prema specijalizaciji u znanosti o materijalima.
1. Poluvodiči prve generacije: silicij (Si) i germanij (Ge)
Povijesna pozadina
Godine 1947. Bell Labs izumio je germanijev tranzistor, označavajući početak ere poluvodiča. Do 1950-ih, silicij je postupno zamijenio germanij kao temelj integriranih krugova (IC-ova) zbog svog stabilnog oksidnog sloja (SiO₂) i obilnih prirodnih rezervi.
Svojstva materijala
ⅠRazmak pojasa:
Germanij: 0,67 eV (uski energetski razmak, sklon struji curenja, loše performanse na visokim temperaturama).
Silicij: 1,12 eV (indirektni energetski razmak, pogodan za logičke sklopove, ali nesposoban za emisiju svjetlosti).
IIPrednosti silikona:
Prirodno stvara visokokvalitetni oksid (SiO₂), što omogućuje izradu MOSFET-a.
Niska cijena i obilje na Zemlji (~28% sastava kore).
Ⅲ,Ograničenja:
Niska pokretljivost elektrona (samo 1500 cm²/(V·s)), što ograničava visokofrekventne performanse.
Slaba tolerancija napona/temperature (maksimalna radna temperatura ~150°C).
Ključne primjene
Ⅰ,Integrirani krugovi (IC):
CPU-i, memorijski čipovi (npr. DRAM, NAND) oslanjaju se na silicij za visoku gustoću integracije.
Primjer: Intelov 4004 (1971.), prvi komercijalni mikroprocesor, koristio je 10 μm silicijsku tehnologiju.
IIUređaji za napajanje:
Rani tiristori i niskonaponski MOSFET-i (npr. napajanja za računala) bili su na bazi silicija.
Izazovi i zastarijevanje
Germanij je postupno ukinut zbog curenja i toplinske nestabilnosti. Međutim, ograničenja silicija u optoelektronici i primjenama velike snage potaknula su razvoj poluvodiča sljedeće generacije.
Poluvodiči druge generacije: galijev arsenid (GaAs) i indijev fosfid (InP)
Pozadina razvoja
Tijekom 1970-ih i 1980-ih, nova područja poput mobilnih komunikacija, optičkih vlakana i satelitske tehnologije stvorila su hitnu potražnju za visokofrekventnim i učinkovitim optoelektroničkim materijalima. To je potaknulo napredak poluvodiča s direktnim energetskim razmakom poput GaAs i InP.
Svojstva materijala
Performanse razmaka pojasa i optoelektronike:
GaAs: 1,42 eV (izravni energetski razmak, omogućuje emisiju svjetlosti - idealno za lasere/LED diode).
InP: 1,34 eV (bolje prikladno za primjene na dugim valnim duljinama, npr. komunikacija optičkim vlaknima od 1550 nm).
Mobilnost elektrona:
GaAs postiže 8500 cm²/(V·s), daleko nadmašujući silicij (1500 cm²/(V·s)), što ga čini optimalnim za obradu signala u GHz rasponu.
Nedostaci
lKrhke podloge: Teže ih je proizvesti od silicija; GaAs pločice koštaju 10 puta više.
lNema izvornog oksida: Za razliku od silicijevog SiO₂, GaAs/InP nema stabilne okside, što ometa izradu integriranih krugova visoke gustoće.
Ključne primjene
lRF prednji dijelovi:
Mobilna pojačala snage (PA), satelitski primopredajnici (npr. HEMT tranzistori bazirani na GaAs-u).
lOptoelektronika:
Laserske diode (CD/DVD pogoni), LED diode (crvene/infracrvene), moduli s optičkim vlaknima (InP laseri).
lSvemirske solarne ćelije:
GaAs ćelije postižu učinkovitost od 30% (u usporedbi s ~20% za silicij), što je ključno za satelite.
lTehnološka uska grla
Visoki troškovi ograničavaju GaAs/InP na nišne, vrhunske primjene, sprječavajući ih da istisnu dominaciju silicija u logičkim čipovima.
Poluvodiči treće generacije (poluvodiči širokog pojasa): silicijev karbid (SiC) i galijev nitrid (GaN)
Tehnološki pokretači
Energetska revolucija: Električna vozila i integracija mreže obnovljivih izvora energije zahtijevaju učinkovitije uređaje za napajanje.
Potrebe za visokom frekvencijom: 5G komunikacijski i radarski sustavi zahtijevaju više frekvencije i gustoću snage.
Ekstremni uvjeti: Primjene u zrakoplovnoj industriji i industriji motornih vozila zahtijevaju materijale koji mogu izdržati temperature veće od 200°C.
Karakteristike materijala
Prednosti širokog pojasnog razmaka:
lSiC: Širina zabranjene zone od 3,26 eV, jakost probojnog električnog polja 10× veća od jakosti silicija, sposoban izdržati napone preko 10 kV.
lGaN: Razmak između pojaseva od 3,4 eV, pokretljivost elektrona od 2200 cm²/(V·s), izvrsne visokofrekventne performanse.
Toplinsko upravljanje:
Toplinska vodljivost SiC-a doseže 4,9 W/(cm·K), tri puta bolju od silicija, što ga čini idealnim za primjene velike snage.
Materijalni izazovi
SiC: Spori rast monokristala zahtijeva temperature iznad 2000 °C, što rezultira defektima pločice i visokim troškovima (6-inčna SiC pločica je 20 puta skuplja od silicijeve).
GaN: Nedostaje mu prirodna podloga, često zahtijeva heteroepitaksiju na safirnim, SiC ili silicijskim podlogama, što dovodi do problema s neusklađenošću rešetke.
Ključne primjene
Energetska elektronika:
Inverteri za električna vozila (npr. Tesla Model 3 koristi SiC MOSFET-e, poboljšavajući učinkovitost za 5–10%).
Stanice/adapteri za brzo punjenje (GaN uređaji omogućuju brzo punjenje od 100 W+ uz smanjenje veličine za 50%).
RF uređaji:
Pojačala snage 5G baznih stanica (GaN-on-SiC PA podržavaju mmWave frekvencije).
Vojni radar (GaN nudi 5× veću gustoću snage od GaAs).
Optoelektronika:
UV LED diode (AlGaN materijali koji se koriste u sterilizaciji i detekciji kvalitete vode).
Status industrije i budući izgledi
SiC dominira tržištem visokih snaga, s modulima automobilske klase koji su već u masovnoj proizvodnji, iako troškovi i dalje predstavljaju prepreku.
GaN se brzo širi u potrošačkoj elektronici (brzo punjenje) i RF primjenama, prelazeći na 8-inčne pločice.
Novi materijali poput galijevog oksida (Ga₂O₃, energetski razmak 4,8 eV) i dijamanta (5,5 eV) mogli bi formirati "četvrtu generaciju" poluvodiča, pomičući naponske granice iznad 20 kV.
Koegzistencija i sinergija generacija poluvodiča
Komplementarnost, a ne zamjena:
Silicij ostaje dominantan u logičkim čipovima i potrošačkoj elektronici (95% globalnog tržišta poluvodiča).
GaAs i InP specijalizirani su za visokofrekventne i optoelektroničke niše.
SiC/GaN su nezamjenjivi u energetskim i industrijskim primjenama.
Primjeri integracije tehnologije:
GaN-na-Si: Kombinira GaN s jeftinim silicijskim podlogama za brzo punjenje i RF primjene.
SiC-IGBT hibridni moduli: Poboljšajte učinkovitost pretvorbe mreže.
Budući trendovi:
Heterogena integracija: Kombiniranje materijala (npr. Si + GaN) na jednom čipu radi uravnoteženja performansi i troškova.
Materijali s ultraširoko pojasnim razmakom (npr. Ga₂O₃, dijamant) mogu omogućiti ultravisoke napone (>20 kV) i kvantno računalstvo.
Povezana proizvodnja
GaAs laserska epitaksijalna pločica 4 inča 6 inča
12-inčna SIC podloga od silicijevog karbida, promjer 300 mm, velika veličina 4H-N, pogodna za odvođenje topline uređaja velike snage
Vrijeme objave: 07.05.2025.