Duonkonduktaĵaj materialoj evoluis tra tri transformaj generacioj:
La unua generacio (Si/Ge) metis la fundamenton de moderna elektroniko,
La dua generacio (GaAs/InP) rompis optoelektronikaj kaj altfrekvencaj baroj por funkciigi la informan revolucion,
La tria generacio (SiC/GaN) nun traktas energiajn kaj ekstremajn mediajn defiojn, ebligante karbonan neŭtralecon kaj la 6G-epokon.
Ĉi tiu progreso rivelas paradigmoŝanĝon de ĉiuflankeco al specialiĝo en materialscienco.
1. Unua-generaciaj duonkonduktaĵoj: silicio (Si) kaj germaniumo (Ge)
Historia fono
En 1947, Bell Labs inventis la germaniuman transistoron, markante la komencon de la duonkonduktaĵa epoko. Antaŭ la 1950-aj jaroj, silicio iom post iom anstataŭigis germaniumon kiel la fundamento de integraj cirkvitoj (IC) pro ĝia stabila oksida tavolo (SiO₂) kaj abundaj naturaj rezervoj.
Materialaj Ecoj
ⅠBendbreĉo:
Germaniumo: 0.67eV (mallarĝa bendbreĉo, ema al elflua fluo, malbona alt-temperatura funkciado).
Silicio: 1,12 eV (nerekta bendbreĉo, taŭga por logikaj cirkvitoj sed nekapabla je lumemisio).
DuoblaAvantaĝoj de Silicio:
Nature formas altkvalitan oksidon (SiO₂), ebligante MOSFET-fabrikadon.
Malalta kosto kaj ter-abunda (~28% de la krusta konsisto).
tria,Limigoj:
Malalta elektrona movebleco (nur 1500 cm²/(V·s)), limigante altfrekvencan rendimenton.
Malforta tensio/temperatura toleremo (maksimuma funkcianta temperaturo ~150 °C).
Ŝlosilaj Aplikoj
Ⅰ,Integraj Cirkvitoj (IC-oj):
CPUoj, memor-blatoj (ekz., DRAM, NAND) dependas de silicio por alta integriĝdenseco.
Ekzemplo: La 4004 (1971) de Intel, la unua komerca mikroprocesoro, uzis 10μm-silician teknologion.
DuoblaPotencaj Aparatoj:
Fruaj tiristoroj kaj malalttensiaj MOSFET-oj (ekz., komputilaj elektroprovizoj) estis silicio-bazitaj.
Defioj kaj Malnoviĝo
Germaniumo estis elfazigita pro elfluado kaj termika malstabileco. Tamen, la limigoj de silicio en optoelektroniko kaj altpotencaj aplikoj spronis la disvolviĝon de venontgeneraciaj semikonduktaĵoj.
Duageneraciaj duonkonduktaĵoj: Galiuma arsenido (GaAs) kaj india fosfido (InP)
Evoluiga Fono
Dum la 1970-aj kaj 1980-aj jaroj, emerĝantaj kampoj kiel moveblaj komunikadoj, optikfibraj retoj kaj satelita teknologio kreis urĝan postulon je altfrekvencaj kaj efikaj optoelektronikaj materialoj. Tio pelis la antaŭenigon de rektaj bendbreĉaj semikonduktaĵoj kiel GaAs kaj InP.
Materialaj Ecoj
Bendbreĉo kaj Optoelektronika Elfaro:
GaAs: 1,42 eV (rekta bendbreĉo, ebligas lumemision — ideala por laseroj/LED-oj).
InP: 1,34 eV (pli taŭga por longlongaj aplikoj, ekz., 1550 nm fibro-optikaj komunikadoj).
Elektrona Moviĝeblo:
GaAs atingas 8500 cm²/(V·s), multe superante silicion (1500 cm²/(V·s)), igante ĝin optimuma por GHz-intervala signalprilaborado.
Malavantaĝoj
lRompeblaj substratoj: Pli malfacile fabrikeblaj ol silicio; GaAs-oblatoj kostas 10-oble pli.
lNeniu indiĝena oksido: Male al la SiO₂ de silicio, al GaAs/InP mankas stabilaj oksidoj, kio malhelpas la fabrikadon de alt-densecaj IC-oj.
Ŝlosilaj Aplikoj
lRF-antaŭaj finaĵoj:
Poŝtelefonaj potencamplifiloj (PA-oj), satelitaj riceviloj (ekz., GaAs-bazitaj HEMT-transistoroj).
lOptoelektroniko:
Laserdiodoj (KD/DVD-legiloj), LED-oj (ruĝaj/infraruĝaj), fibro-optikaj moduloj (InP-laseroj).
lSpacaj Sunĉeloj:
GaAs-ĉeloj atingas 30% efikecon (kontraŭ ~20% por silicio), decidan por satelitoj.
lTeknologiaj Proplempunktoj
Altaj kostoj limigas GaAs/InP al niĉaj altkvalitaj aplikoj, malhelpante ilin delokigi la dominecon de silicio en logikaj ĉipoj.
Triageneraciaj Duonkonduktaĵoj (Larĝbendbreĉaj Duonkonduktaĵoj): Silicia Karbido (SiC) kaj Galia Nitrido (GaN)
Teknologiaj Ŝoforoj
Energia Revolucio: Elektraj veturiloj kaj integriĝo al renovigebla energia reto postulas pli efikajn elektrajn aparatojn.
Altfrekvencaj Bezonoj: 5G-komunikadoj kaj radarsistemoj postulas pli altajn frekvencojn kaj potencan densecon.
Ekstremaj Medioj: Aerospacaj kaj industriaj motoraj aplikoj bezonas materialojn kapablajn elteni temperaturojn superantajn 200 °C.
Materialaj Karakterizaĵoj
Avantaĝoj de larĝa bendbreĉo:
lSiC: Bendbreĉo de 3.26eV, rompa elektra kampa forto 10× tiu de silicio, kapabla elteni tensiojn super 10kV.
lGaN: Bendbreĉo de 3.4eV, elektrona movebleco de 2200 cm²/(V·s), elstarante en altfrekvenca agado.
Termika Administrado:
La varmokondukteco de SiC atingas 4.9 W/(cm·K), tri fojojn pli bone ol silicio, igante ĝin ideala por altpotencaj aplikoj.
Materialaj Defioj
SiC: Malrapida kresko de unu-kristala postulas temperaturojn super 2000 °C, rezultante en difektoj en la oblato kaj altaj kostoj (6-cola SiC-oblato estas 20-foje pli multekosta ol silicio).
GaN: Malhavas naturan substraton, ofte postulante heteroepitaksion sur safiro, SiC, aŭ siliciosubstratoj, kondukante al kradaj misagordoproblemoj.
Ŝlosilaj Aplikoj
Potenca Elektroniko:
EV-invetiloj (ekz., Tesla Model 3 uzas SiC MOSFET-ojn, plibonigante efikecon je 5-10%).
Rapidŝargaj stacioj/adaptiloj (GaN-aparatoj ebligas rapidan ŝargadon de pli ol 100W, samtempe reduktante grandecon je 50%).
RF-Aparatoj:
5G bazstaciaj potencamplifiloj (GaN-sur-SiC PA-oj subtenas mmWave-frekvencojn).
Armea radaro (GaN ofertas 5× la potencodensecon de GaAs).
Optoelektroniko:
UV-LED-oj (AlGaN-materialoj uzataj en steriligo kaj detekto de akvokvalito).
Industria Stato kaj Estonta Perspektivo
SiC dominas la alt-potencan merkaton, kun aŭt-kvalitaj moduloj jam en amasproduktado, kvankam kostoj restas baro.
GaN rapide disetendiĝas en konsumelektroniko (rapida ŝargado) kaj RF-aplikoj, transirante al 8-colaj oblatoj.
Aperantaj materialoj kiel galiuma oksido (Ga₂O₃, bendbreĉo 4.8eV) kaj diamanto (5.5eV) povus formi "kvaran generacion" de duonkonduktaĵoj, puŝante tensiolimojn preter 20kV.
Kunekzistado kaj Sinergio de Semikonduktaĵaj Generacioj
Komplementeco, Ne Anstataŭigo:
Silicio restas domina en logikaj blatoj kaj konsumelektroniko (95% de la tutmonda duonkonduktaĵa merkato).
GaAs kaj InP specialiĝas pri altfrekvencaj kaj optoelektronikaj niĉoj.
SiC/GaN estas neanstataŭigeblaj en energiaj kaj industriaj aplikoj.
Ekzemploj de Teknologia Integriĝo:
GaN-sur-Si: Kombinas GaN kun malaltkostaj siliciaj substratoj por rapida ŝargado kaj RF-aplikoj.
Hibridaj moduloj SiC-IGBT: Plibonigu la efikecon de reto-konverto.
Estontaj Tendencoj:
Heterogena integriĝo: Kombinante materialojn (ekz., Si + GaN) sur ununura ĉipo por balanci rendimenton kaj koston.
Ultralarĝaj bendbreĉaj materialoj (ekz., Ga₂O₃, diamanto) povus ebligi aplikojn de ultra-alta tensio (>20kV) kaj kvantumkomputiko.
Rilata produktado
GaAs-lasera epitaksia oblato 4 coloj 6 coloj
12-cola SIC-substrato el siliciokarbido, ĉefa grado, diametro 300mm, granda grandeco 4H-N, taŭga por varmodisradiado de altpotencoj.
Afiŝtempo: 7-a de majo 2025