نسل اول نسل دوم مواد نیمه‌هادی نسل سوم

مواد نیمه‌هادی طی سه نسل متحول تکامل یافته‌اند:

نسل اول (Si/Ge) پایه و اساس الکترونیک مدرن را بنا نهاد،

نسل دوم (GaAs/InP) موانع اپتوالکترونیکی و فرکانس بالا را برای ایجاد انقلاب اطلاعاتی از میان برداشت.

نسل سوم (SiC/GaN) اکنون با چالش‌های انرژی و محیط‌های با شرایط سخت مقابله می‌کند و امکان خنثی‌سازی کربن و عصر 6G را فراهم می‌کند.

این پیشرفت، تغییر الگو از تطبیق‌پذیری به تخصص در علم مواد را نشان می‌دهد.

۱. نیمه‌رساناهای نسل اول: سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge)

پیشینه تاریخی

در سال ۱۹۴۷، آزمایشگاه‌های بل ترانزیستور ژرمانیوم را اختراع کردند که طلوع عصر نیمه‌رساناها را رقم زد. تا دهه ۱۹۵۰، سیلیکون به دلیل لایه اکسید پایدار (SiO₂) و ذخایر طبیعی فراوان، به تدریج جایگزین ژرمانیوم به عنوان پایه مدارهای مجتمع (IC) شد.

خواص مواد

۱.باندگپ:

ژرمانیوم: 0.67 الکترون‌ولت (شکاف باند باریک، مستعد جریان نشتی، عملکرد ضعیف در دمای بالا).

سیلیکون: ۱.۱۲ الکترون‌ولت (شکاف باند غیرمستقیم، مناسب برای مدارهای منطقی اما ناتوان در انتشار نور).

دوم،مزایای سیلیکون:

به طور طبیعی یک اکسید با کیفیت بالا (SiO₂) تشکیل می‌دهد که ساخت MOSFET را امکان‌پذیر می‌سازد.

کم‌هزینه و فراوان در زمین (حدود ۲۸٪ از ترکیب پوسته زمین).

سوم،محدودیت‌ها:

تحرک کم الکترون (فقط ۱۵۰۰ سانتی‌متر مربع بر (ولت · ثانیه))، که عملکرد فرکانس بالا را محدود می‌کند.

تحمل ولتاژ/دما ضعیف (حداکثر دمای عملیاتی حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد).

کاربردهای کلیدی

۱.مدارهای مجتمع (IC):

پردازنده‌ها، تراشه‌های حافظه (مثلاً DRAM، NAND) برای تراکم بالای ادغام به سیلیکون متکی هستند.

مثال: اینتل ۴۰۰۴ (۱۹۷۱)، اولین ریزپردازنده تجاری، از فناوری سیلیکون ۱۰ میکرومتری استفاده می‌کرد.

دوم،دستگاه‌های قدرت:

تریستورهای اولیه و MOSFET های ولتاژ پایین (مثلاً منابع تغذیه کامپیوتر) مبتنی بر سیلیکون بودند.

چالش‌ها و منسوخ شدن

ژرمانیوم به دلیل نشتی و ناپایداری حرارتی از رده خارج شد. با این حال، محدودیت‌های سیلیکون در الکترونیک نوری و کاربردهای توان بالا، توسعه نیمه‌هادی‌های نسل بعدی را تسریع کرد.

نیمه‌رساناهای نسل دوم: گالیوم آرسنید (GaAs) و ایندیوم فسفید (InP)

پیشینه توسعه

در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، زمینه‌های نوظهوری مانند ارتباطات سیار، شبکه‌های فیبر نوری و فناوری ماهواره، تقاضای فزاینده‌ای برای مواد اپتوالکترونیکی با فرکانس بالا و کارآمد ایجاد کردند. این امر باعث پیشرفت نیمه‌رساناهای با شکاف باند مستقیم مانند GaAs و InP شد.

خواص مواد

عملکرد باندگپ و اپتوالکترونیکی:

GaAs: 1.42eV (شکاف باند مستقیم، امکان انتشار نور را فراهم می‌کند - ایده‌آل برای لیزرها/LEDها).

InP: 1.34eV (برای کاربردهای با طول موج بلند، مثلاً ارتباطات فیبر نوری 1550 نانومتر، مناسب‌تر است).

تحرک الکترون:

GaAs به 8500 cm²/(V·s) می‌رسد که بسیار فراتر از سیلیکون (1500 cm²/(V·s)) است و آن را برای پردازش سیگنال در محدوده گیگاهرتز بهینه می‌کند.

معایب

لزیرلایه‌های شکننده: تولید آنها از سیلیکون سخت‌تر است؛ ویفرهای GaAs ده برابر گران‌تر هستند.

لبدون اکسید طبیعی: برخلاف SiO₂ سیلیکون، GaAs/InP فاقد اکسیدهای پایدار هستند و این امر مانع ساخت مدار مجتمع با چگالی بالا می‌شود.

کاربردهای کلیدی

لجبهه‌های RF:

تقویت‌کننده‌های توان موبایل (PA)، فرستنده-گیرنده‌های ماهواره‌ای (مثلاً ترانزیستورهای HEMT مبتنی بر GaAs).

لالکترونیک نوری:

دیودهای لیزری (درایوهای CD/DVD)، LEDها (قرمز/مادون قرمز)، ماژول‌های فیبر نوری (لیزرهای InP).

لسلول‌های خورشیدی فضایی:

سلول‌های گالیوم آرسنید به راندمان 30٪ (در مقایسه با حدود 20٪ برای سیلیکون) دست می‌یابند که برای ماهواره‌ها بسیار مهم است. 

لتنگناهای تکنولوژیکی

هزینه‌های بالا، GaAs/InP را به کاربردهای خاص و سطح بالا محدود می‌کند و مانع از آن می‌شود که بتوانند جای سیلیکون را در تراشه‌های منطقی بگیرند.

نیمه‌هادی‌های نسل سوم (نیمه‌هادی‌های با شکاف باند وسیع): کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN)

محرک‌های فناوری

انقلاب انرژی: خودروهای برقی و ادغام شبکه انرژی تجدیدپذیر، نیازمند دستگاه‌های قدرت کارآمدتری هستند.

نیازهای فرکانس بالا: ارتباطات 5G و سیستم‌های راداری به فرکانس‌ها و چگالی توان بالاتری نیاز دارند.

محیط‌های سخت: کاربردهای هوافضا و موتورهای صنعتی به موادی نیاز دارند که بتوانند در برابر دماهای بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت کنند.

مشخصات مواد

مزایای پهنای باند وسیع:

لSiC: شکاف باند 3.26eV، قدرت میدان الکتریکی شکست 10 برابر سیلیکون، قادر به تحمل ولتاژهای بیش از 10kV.

لGaN: شکاف باند 3.4eV، تحرک الکترونی 2200 cm²/(V·s)، عملکرد عالی در فرکانس بالا.

مدیریت حرارتی:

رسانایی حرارتی SiC به 4.9 W/(cm·K) می‌رسد که سه برابر بهتر از سیلیکون است و آن را برای کاربردهای توان بالا ایده‌آل می‌کند.

چالش‌های مادی

SiC: رشد آهسته تک بلور به دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد نیاز دارد که منجر به نقص ویفر و هزینه‌های بالا می‌شود (یک ویفر 6 اینچی SiC 20 برابر گران‌تر از سیلیکون است).

GaN: فاقد زیرلایه طبیعی است و اغلب نیاز به هترواپتاکسی روی زیرلایه‌های یاقوت کبود، SiC یا سیلیکون دارد که منجر به مشکلات عدم تطابق شبکه می‌شود.

کاربردهای کلیدی

الکترونیک قدرت:

اینورترهای خودروهای برقی (مثلاً تسلا مدل ۳ از ماسفت‌های SiC استفاده می‌کند که راندمان را ۵ تا ۱۰ درصد بهبود می‌بخشد).

ایستگاه‌ها/آداپتورهای شارژ سریع (دستگاه‌های GaN امکان شارژ سریع ۱۰۰ وات یا بیشتر را فراهم می‌کنند و در عین حال اندازه را ۵۰٪ کاهش می‌دهند).

دستگاه‌های آر اف:

تقویت‌کننده‌های توان ایستگاه پایه 5G (تقویت‌کننده‌های توان GaN-on-SiC از فرکانس‌های mmWave پشتیبانی می‌کنند).

رادار نظامی (گنادال نیترید (GaN) چگالی توانی معادل ۵ برابر گالیوم آرسنید ارائه می‌دهد).

الکترونیک نوری:

LED های UV (مواد AlGaN مورد استفاده در استریلیزاسیون و تشخیص کیفیت آب).

وضعیت صنعت و چشم‌انداز آینده

SiC بر بازار توان بالا تسلط دارد و ماژول‌های درجه خودرو در حال حاضر در تولید انبوه هستند، اگرچه هزینه‌ها همچنان یک مانع هستند.

گالیوم نیترید (GaN) به سرعت در حال گسترش در لوازم الکترونیکی مصرفی (شارژ سریع) و کاربردهای RF است و به سمت ویفرهای ۸ اینچی در حال گذار است.

مواد نوظهوری مانند اکسید گالیوم (Ga₂O₃، شکاف باند ۴.۸eV) و الماس (۵.۵eV) ممکن است «نسل چهارم» نیمه‌رساناها را تشکیل دهند و محدودیت‌های ولتاژ را فراتر از ۲۰ کیلوولت ببرند.

همزیستی و هم‌افزایی نسل‌های نیمه‌هادی

مکمل بودن، نه جایگزینی:

سیلیکون همچنان در تراشه‌های منطقی و لوازم الکترونیکی مصرفی غالب است (95٪ از بازار جهانی نیمه‌هادی).

GaAs و InP در حوزه‌های فرکانس بالا و اپتوالکترونیک تخصص دارند.

SiC/GaN در کاربردهای انرژی و صنعتی غیرقابل جایگزینی هستند.

نمونه‌هایی از ادغام فناوری:

GaN-on-Si: ترکیبی از GaN با زیرلایه‌های سیلیکونی کم‌هزینه برای شارژ سریع و کاربردهای RF.

ماژول‌های هیبریدی SiC-IGBT: بهبود راندمان تبدیل شبکه.

روندهای آینده:

ادغام ناهمگن: ترکیب مواد (مثلاً Si + GaN) روی یک تراشه واحد برای ایجاد تعادل بین عملکرد و هزینه.

مواد با شکاف باند بسیار وسیع (مثلاً Ga₂O₃، الماس) ممکن است کاربردهای ولتاژ بسیار بالا (>20kV) و محاسبات کوانتومی را امکان‌پذیر کنند.

تولید مرتبط

ویفر اپیتاکسیال لیزر GaAs، 4 اینچ، 6 اینچ

زیرلایه سیلیکون کاربید SIC 12 اینچی درجه یک با قطر 300 میلی‌متر، سایز بزرگ 4H-N، مناسب برای اتلاف حرارت دستگاه‌های پرقدرت