Polovodičové materiály se vyvíjely ve třech transformačních generacích:
1. generace (Si/Ge) položila základy moderní elektroniky,
2. generace (GaAs/InP) prolomila optoelektronické a vysokofrekvenční bariéry a nastartovala informační revoluci,
3. generace (SiC/GaN) nyní řeší energetické a extrémní environmentální výzvy a umožňuje uhlíkovou neutralitu a éru 6G.
Tento vývoj odhaluje paradigmatický posun od všestrannosti ke specializaci v materiálové vědě.
1. Polovodiče první generace: křemík (Si) a germanium (Ge)
Historické pozadí
V roce 1947 vynalezly laboratoře Bell Labs germaniový tranzistor, čímž zahájily éru polovodičů. V 50. letech 20. století křemík postupně nahradil germanium jako základ integrovaných obvodů (IO) díky své stabilní oxidové vrstvě (SiO₂) a bohatým přírodním zásobám.
Vlastnosti materiálu
ⅠZakázané pásmo:
Germanium: 0,67 eV (úzká zakázaná zóna, náchylnost k svodovému proudu, špatný výkon při vysokých teplotách).
Křemík: 1,12 eV (nepřímá zakázaná pásma, vhodná pro logické obvody, ale neschopná emise světla).
II.Výhody silikonu:
Přirozeně tvoří vysoce kvalitní oxid (SiO₂), což umožňuje výrobu MOSFETů.
Nízké náklady a hojné zastoupení na Zemi (~28 % složení zemské kůry).
Ⅲ,Omezení:
Nízká mobilita elektronů (pouze 1500 cm²/(V·s)), omezující výkon při vysokých frekvencích.
Slabá tolerance napětí/teploty (max. provozní teplota ~150 °C).
Klíčové aplikace
Ⅰ,Integrované obvody (IO):
CPU a paměťové čipy (např. DRAM, NAND) se pro vysokou hustotu integrace spoléhají na křemík.
Příklad: Intel 4004 (1971), první komerční mikroprocesor, používal 10μm křemíkovou technologii.
II.Napájecí zařízení:
Rané tyristory a nízkonapěťové MOSFETy (např. napájecí zdroje pro PC) byly na bázi křemíku.
Výzvy a zastaralost
Germanium bylo postupně vyřazeno z provozu kvůli úniku a tepelné nestabilitě. Omezení křemíku v optoelektronice a aplikacích s vysokým výkonem však podnítila vývoj polovodičů nové generace.
2Polovodiče druhé generace: arsenid galia (GaAs) a fosfid india (InP)
Pozadí vývoje
Během 70. a 80. let 20. století vytvořily nově vznikající oblasti, jako je mobilní komunikace, optické sítě a satelitní technologie, naléhavou poptávku po vysokofrekvenčních a účinných optoelektronických materiálech. To vedlo k pokroku v polovodičích s přímou šířkou zakázaného pásma, jako jsou GaAs a InP.
Vlastnosti materiálu
Výkon pásmové mezery a optoelektronické funkce:
GaAs: 1,42 eV (přímá šířka zakázaného pásma, umožňuje emisi světla – ideální pro lasery/LED).
InP: 1,34 eV (vhodnější pro aplikace s dlouhými vlnovými délkami, např. pro komunikaci optickými vlákny o vlnové délce 1550 nm).
Elektronová mobilita:
GaAs dosahuje 8500 cm²/(V·s), což výrazně překonává křemík (1500 cm²/(V·s)), takže je optimální pro zpracování signálu v GHz rozsahu.
Nevýhody
lKřehké substráty: Vyrábějí se hůře než křemíkové; destičky GaAs stojí 10krát více.
lŽádný nativní oxid: Na rozdíl od křemíkového SiO₂ postrádá GaAs/InP stabilní oxidy, což brání výrobě integrovaných obvodů s vysokou hustotou.
Klíčové aplikace
lRF front-endy:
Mobilní výkonové zesilovače (PA), satelitní transceivery (např. tranzistory HEMT na bázi GaAs).
lOptoelektronika:
Laserové diody (CD/DVD mechaniky), LED diody (červené/infračervené), moduly s optickými vlákny (InP lasery).
lVesmírné solární články:
GaAs články dosahují účinnosti 30 % (oproti ~20 % u křemíku), což je pro satelity klíčové.
lTechnologická úzká místa
Vysoké náklady omezují GaAs/InP na specializované špičkové aplikace, což jim brání v tom, aby nahradily dominanci křemíku v logických čipech.
Polovodiče třetí generace (polovodiče s širokým zakázaným pásmem): karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN)
Technologické faktory
Energetická revoluce: Elektromobily a integrace sítí obnovitelných zdrojů energie vyžadují účinnější energetická zařízení.
Potřeby vysokých frekvencí: Komunikační a radarové systémy 5G vyžadují vyšší frekvence a hustotu výkonu.
Extrémní prostředí: Letecké a průmyslové aplikace a aplikace v oblasti motorů vyžadují materiály schopné odolat teplotám přesahujícím 200 °C.
Materiálové vlastnosti
Výhody širokého pásmového zakázaného pásma:
lSiC: šířka zakázaného pásma 3,26 eV, průrazná síla elektrického pole 10× větší než u křemíku, schopný odolat napětí nad 10 kV.
lGaN: Zakázané pásmo 3,4 eV, mobilita elektronů 2200 cm²/(V·s), vynikající výkon ve vysokých frekvencích.
Tepelný management:
Tepelná vodivost SiC dosahuje 4,9 W/(cm·K), což je třikrát lepší než u křemíku, což z něj činí ideální řešení pro aplikace s vysokým výkonem.
Materiální výzvy
SiC: Pomalý růst monokrystalů vyžaduje teploty nad 2000 °C, což vede k defektům destiček a vysokým nákladům (6palcová destička SiC je 20× dražší než křemíková).
GaN: Chybí mu přirozený substrát, často vyžaduje heteroepitaxi na safírových, SiC nebo křemíkových substrátech, což vede k problémům s mřížkovým nesouladem.
Klíčové aplikace
Výkonová elektronika:
Měniče pro elektromobily (např. Tesla Model 3 používá SiC MOSFETy, což zvyšuje účinnost o 5–10 %).
Rychlonabíjecí stanice/adaptéry (zařízení GaN umožňují rychlé nabíjení s výkonem 100 W a více a zároveň zmenšují velikost o 50 %).
Rádiově vysílací zařízení:
Výkonové zesilovače pro základnové stanice 5G (PA zesilovače GaN-on-SiC podporují milimetrové vlnové frekvence).
Vojenský radar (GaN nabízí 5× větší hustotu výkonu než GaAs).
Optoelektronika:
UV LED diody (materiály AlGaN používané při sterilizaci a detekci kvality vody).
Stav odvětví a výhled do budoucna
SiC dominuje trhu s vysoce výkonnými bateriemi a moduly pro automobilový průmysl se již hromadně vyrábějí, ačkoli náklady zůstávají překážkou.
GaN se rychle rozšiřuje ve spotřební elektronice (rychlé nabíjení) a RF aplikacích a přechází k 8palcovým waferům.
Nově vznikající materiály jako oxid galia (Ga₂O₃, šířka zakázaného pásma 4,8 eV) a diamant (5,5 eV) by mohly tvořit „čtvrtou generaci“ polovodičů a posouvat napěťové limity nad 20 kV.
Koexistence a synergie generací polovodičů
Doplňkovost, nikoliv nahrazování:
Křemík zůstává dominantní v logických čipech a spotřební elektronice (95 % globálního trhu s polovodiči).
GaAs a InP se specializují na oblasti vysokých frekvencí a optoelektroniky.
SiC/GaN jsou nenahraditelné v energetických a průmyslových aplikacích.
Příklady integrace technologií:
GaN-na-Si: Kombinuje GaN s levnými křemíkovými substráty pro rychlé nabíjení a RF aplikace.
Hybridní moduly SiC-IGBT: Zlepšení účinnosti převodu do sítě.
Budoucí trendy:
Heterogenní integrace: Kombinace materiálů (např. Si + GaN) na jednom čipu pro vyvážení výkonu a nákladů.
Materiály s ultraširokou zakázanou zónou (např. Ga₂O₃, diamant) mohou umožnit aplikace pro ultravysoké napětí (>20 kV) a kvantové výpočty.
Související produkce
GaAs laserová epitaxní destička 4 palce 6 palců
12palcový SIC substrát z karbidu křemíku prvotřídní třídy, průměr 300 mm, velká velikost 4H-N, vhodný pro odvod tepla zařízení s vysokým výkonem
Čas zveřejnění: 7. května 2025