Hálfleiðaraefni hafa þróast í gegnum þrjár kynslóðir sem hafa breyst:
Fyrsta kynslóðin (Si/Ge) lagði grunninn að nútíma rafeindatækni,
Önnur kynslóð (GaAs/InP) braut í gegnum ljósfræðilegar og hátíðnihindranir til að knýja upplýsingabyltinguna áfram.
Þriðja kynslóð (SiC/GaN) tekur nú á orku- og umhverfisáskorunum, sem gerir kleift að ná kolefnishlutleysi og innleiða 6G tímabilið.
Þessi framþróun sýnir fram á hugmyndabreytingu frá fjölhæfni til sérhæfingar í efnisfræði.
1. Fyrstu kynslóðar hálfleiðarar: Kísill (Si) og germaníum (Ge)
Sögulegur bakgrunnur
Árið 1947 fann Bell Labs upp germaníum-smárann, sem markaði upphaf tímabils hálfleiðara. Á sjötta áratug síðustu aldar kom kísill smám saman í stað germaníums sem grunnur að samþættum hringrásum (ICs) vegna stöðugs oxíðlags þess (SiO₂) og mikilla náttúruauðlinda.
Efniseiginleikar
ⅠBandbil:
Germaníum: 0,67 eV (þröngt bandgap, viðkvæmt fyrir lekastraumi, léleg afköst við háan hita).
Kísill: 1,12 eV (óbeint bandgap, hentugt fyrir rökrásir en ófært um að gefa frá sér ljós).
II.Kostir sílikons:
Myndar náttúrulega hágæða oxíð (SiO₂) sem gerir kleift að framleiða MOSFET.
Lágt verð og gnægð af jarðskorpunni (~28% af jarðskorpusamsetningu).
Ⅲ,Takmarkanir:
Lítil hreyfanleiki rafeinda (aðeins 1500 cm²/(V·s)), sem takmarkar afköst við hátíðni.
Veik spennu-/hitaþol (hámarks rekstrarhiti ~150°C).
Lykilforrit
Ⅰ,Samþættar rafrásir (ICs):
Örgjörvar, minnisflísar (t.d. DRAM, NAND) reiða sig á kísill fyrir mikla samþættingarþéttleika.
Dæmi: 4004 örgjörvinn frá Intel (1971), fyrsti örgjörvinn sem kom á markað, notaði 10μm kísiltækni.
II.Rafmagnstæki:
Fyrstu þýristorar og lágspennu-MOSFET-örvar (t.d. aflgjafar fyrir tölvur) voru byggðir á kísil.
Áskoranir og úreltni
Germaníum var smám saman hætt að nota vegna leka og hitastöðugleika. Hins vegar hvöttu takmarkanir kísils í ljósfræðilegum rafeindabúnaði og háaflsforritum til þróunar næstu kynslóðar hálfleiðara.
2. Önnur kynslóð hálfleiðara: Gallíumarseníð (GaAs) og indíumfosfíð (InP)
Þróunarbakgrunnur
Á áttunda og níunda áratugnum sköpuðu nýjar greinar eins og farsímasamskipti, ljósleiðarakerfi og gervihnattatækni mikla eftirspurn eftir hátíðni og skilvirkum ljósfræðilegum rafeindaefnum. Þetta leiddi til framfara í beinum bandbilshálfleiðurum eins og GaAs og InP.
Efniseiginleikar
Bandbil og ljósfræðileg afköst:
GaAs: 1,42 eV (bein bandgap, gerir ljósgeislun mögulega - tilvalið fyrir leysigeisla/LED).
InP: 1,34 eV (hentar betur fyrir langbylgjulengdarforrit, t.d. 1550 nm ljósleiðarasamskipti).
Rafeindahreyfanleiki:
GaAs nær 8500 cm²/(V·s), sem er langtum betra en kísill (1500 cm²/(V·s)), sem gerir það kjörið fyrir merkjavinnslu á GHz-sviðinu.
Ókostir
lBrothætt undirlag: Erfiðara í framleiðslu en kísill; GaAs-skífur kosta 10 sinnum meira.
lEkkert innfædd oxíð: Ólíkt SiO₂ úr kísli skortir GaAs/InP stöðug oxíð, sem hindrar framleiðslu á háþéttni IC.
Lykilforrit
lRF framhliðar:
Færanlegir aflmagnarar (PA), gervihnatta-sendiviðtæki (t.d. GaAs-byggðir HEMT smárar).
lLjóstækni:
Leysidíóður (CD/DVD drif), LED ljós (rauð/innrauð), ljósleiðaraeiningar (InP leysir).
lGeim sólarsellur:
GaAs frumur ná 30% skilvirkni (á móti ~20% fyrir kísill), sem er mikilvægt fyrir gervihnetti.
lTæknilegir flöskuhálsar
Hátt verð takmarkar GaAs/InP við sérhæfð háþróuð forrit og kemur í veg fyrir að þau geti tekið við yfirráðum kísils í rökfræðiflögum.
Þriðju kynslóðar hálfleiðarar (breiðbandsbils hálfleiðarar): Kísillkarbíð (SiC) og gallíumnítríð (GaN)
Tæknidrifkraftar
Orkubyltingin: Rafbílar og samþætting endurnýjanlegrar orkukerfis krefjast skilvirkari orkugjafa.
Þörf fyrir hátíðni: 5G fjarskipta- og ratsjárkerfi þurfa hærri tíðni og aflþéttleika.
Öfgakennd umhverfi: Notkun á mótorum í geimferðum og iðnaði krefst efna sem þola hitastig yfir 200°C.
Efnisleg einkenni
Kostir breitt bandbils:
lSiC: Bandbil upp á 3,26 eV, rafsviðsstyrkur við niðurbrot 10 sinnum meiri en kísill, þolir spennu yfir 10 kV.
lGaN: Bandbil upp á 3,4 eV, rafeindahreyfanleiki upp á 2200 cm²/(V·s), framúrskarandi við hátíðni.
Hitastjórnun:
Varmaleiðni SiC nær 4,9 W/(cm·K), sem er þrisvar sinnum betri en kísill, sem gerir það tilvalið fyrir notkun með mikla afköst.
Efnislegar áskoranir
SiC: Hægur vöxtur eins kristalla krefst hitastigs yfir 2000°C, sem leiðir til galla í skífum og mikils kostnaðar (6 tommu SiC skífa er 20 sinnum dýrari en kísill).
GaN: Skortur á náttúrulegu undirlagi, krefst oft heterópítaxíu á safír-, SiC- eða kísillundirlögum, sem leiðir til vandamála með grindarmisræmi.
Lykilforrit
Rafmagns rafeindatækni:
Inverterar fyrir rafknúin ökutæki (t.d. Tesla Model 3 notar SiC MOSFET, sem bætir skilvirkni um 5–10%).
Hraðhleðslustöðvar/millistykki (GaN tæki gera kleift að hlaða 100W+ hratt og minnka stærðina um 50%).
RF tæki:
Aflmagnarar fyrir 5G grunnstöðvar (GaN-á-SiC PA-ar styðja mmWave-tíðni).
Hernaðarratsjá (GaN býður upp á 5 sinnum meiri aflþéttleika en GaAs).
Ljóstækni:
Útfjólubláa ljósdíóður (AlGaN efni notuð við sótthreinsun og mælingar á vatnsgæðum).
Staða iðnaðarins og framtíðarhorfur
SiC er ráðandi á markaði fyrir háaflsrafmagn, þar sem einingar fyrir bílaiðnaðinn eru þegar í fjöldaframleiðslu, þó að kostnaður sé enn hindrun.
GaN er ört vaxandi í neytendatækni (hraðhleðslu) og RF forritum, og færist yfir í 8 tommu skífur.
Ný efni eins og gallíumoxíð (Ga₂O₃, bandgap 4,8 eV) og demantur (5,5 eV) gætu myndað „fjórðu kynslóð“ hálfleiðara og fært spennumörkin út fyrir 20 kV.
Samlíf og samlegðaráhrif kynslóða hálfleiðara
Viðbót, ekki staðgengill:
Kísill er enn ráðandi í rökfræðiflögum og neytendarafeindatækni (95% af heimsmarkaði hálfleiðara).
GaAs og InP sérhæfa sig í hátíðni- og ljósfræðilegum sérhæfingum.
SiC/GaN eru ómissandi í orku- og iðnaðarnotkun.
Dæmi um tæknisamþættingu:
GaN-á-Si: Sameinar GaN við ódýr kísil undirlag fyrir hraðhleðslu og RF forrit.
SiC-IGBT blendingseiningar: Bæta skilvirkni netbreytingar.
Framtíðarþróun:
Ósamræmd samþætting: Að sameina efni (t.d. Si + GaN) á einni örgjörva til að vega og meta afköst og kostnað.
Efni með ofurbreitt bandgap (t.d. Ga₂O₃, demantur) geta gert kleift að nota ofurháspennu (>20kV) og skammtatölvur.
Tengd framleiðsla
GaAs leysir epitaxial skífa 4 tommur 6 tommur
12 tommu SIC undirlag úr kísillkarbíði, aðalgæði, þvermál 300 mm, stór stærð 4H-N, hentugur fyrir varmadreifingu með miklum afli.
Birtingartími: 7. maí 2025