חומרי מוליכים למחצה מהדור הראשון, מהדור השני, מהדור השלישי

חומרי מוליכים למחצה התפתחו דרך שלושה דורות טרנספורמטיביים:

הדור הראשון (Si/Ge) הניח את היסודות לאלקטרוניקה המודרנית,

הדור השני (GaAs/InP) פרץ מחסומים אופטואלקטרוניים ותדרים גבוהים כדי להניע את מהפכת המידע,

דור שלישי (SiC/GaN) מתמודד כעת עם אתגרי אנרגיה וסביבה קיצונית, ומאפשר ניטרליות פחמן ואת עידן ה-6G.

התקדמות זו חושפת שינוי פרדיגמה מגיוון להתמחות במדעי החומרים.

1. מוליכים למחצה מהדור הראשון: סיליקון (Si) וגרמניום (Ge)

רקע היסטורי

בשנת 1947, מעבדות בל המציאו את טרנזיסטור הגרמניום, וסימן את שחר עידן המוליכים למחצה. עד שנות ה-50, סיליקון החליף בהדרגה את הגרמניום כבסיס למעגלים משולבים (ICs) בזכות שכבת התחמוצת היציבה שלו (SiO₂) ומאגרי הטבע השופעים שלו.

תכונות חומר

Ⅰפער פסי:

גרמניום: 0.67eV (פער אנרגיה צר, נוטה לזרם דליפה, ביצועים גרועים בטמפרטורה גבוהה).

סיליקון: 1.12eV (פער אנרגיה עקיף, מתאים למעגלים לוגיים אך אינו מסוגל לפליטת אור).

Ⅱ,יתרונות הסיליקון:

יוצר באופן טבעי תחמוצת באיכות גבוהה (SiO₂), המאפשרת ייצור MOSFET.

עלות נמוכה ושופע בכדור הארץ (~28% מהרכב הקרום).

Ⅲ,מגבלות:

ניידות אלקטרונים נמוכה (רק 1500 סמ"ר/(V·s)), המגבילה את הביצועים בתדרים גבוהים.

סבילות חלשה למתח/טמפרטורה (טמפרטורת הפעלה מקסימלית ~150°C).

יישומים מרכזיים

Ⅰ,מעגלים משולבים (ICs):

מעבדים, שבבי זיכרון (למשל, DRAM, NAND) מסתמכים על סיליקון לצפיפות אינטגרציה גבוהה.

דוגמה: ה-4004 של אינטל (1971), המיקרו-מעבד המסחרי הראשון, השתמש בטכנולוגיית סיליקון של 10 מיקרומטר.

Ⅱ,מכשירי חשמל:

תיריסטורים מוקדמים ו-MOSFETs במתח נמוך (למשל, ספקי כוח למחשבים אישיים) היו מבוססים על סיליקון.

אתגרים והתיישנות

גרמניום הוצא משימוש בהדרגה עקב דליפה וחוסר יציבות תרמית. עם זאת, מגבלותיו של סיליקון ביישומים אופטואלקטרוניים ועתירי הספק עודדו את פיתוחם של מוליכים למחצה מהדור הבא.

2. מוליכים למחצה מהדור השני: גליום ארסניד (GaAs) ואינדיום פוספיד (InP)

רקע פיתוח

במהלך שנות ה-70 וה-80 של המאה ה-20, תחומים מתפתחים כמו תקשורת סלולרית, רשתות סיבים אופטיים וטכנולוגיית לוויינים יצרו ביקוש דחוף לחומרים אופטואלקטרוניים בתדר גבוה ויעילים. דבר זה הניע את התקדמותם של מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה ישיר כמו GaAs ו-InP.

תכונות חומר

ביצועי פער אנרגיה ואופטואלקטרוניקה:

GaAs: 1.42eV (פער אנרגיה ישיר, מאפשר פליטת אור - אידיאלי עבור לייזרים/נורות LED).

InP: 1.34eV (מתאים יותר ליישומים בעלי אורך גל ארוך, למשל, תקשורת סיבים אופטיים של 1550nm).

ניידות אלקטרונים:

GaAs משיג 8500 סמ"ר/(V·s), ועולה בהרבה על סיליקון (1500 סמ"ר/(V·s)), מה שהופך אותו לאופטימלי לעיבוד אותות בטווח גיגה-הרץ.

חסרונות

למצעים שבירים: קשים יותר לייצור מאשר סיליקון; פרוסות GaAs עולות פי 10 יותר.

לללא תחמוצת טבעית: בניגוד ל-SiO₂ של סיליקון, ל-GaAs/InP חסרות תחמוצות יציבות, דבר המעכב ייצור מעגלים משולבים בצפיפות גבוהה.

יישומים מרכזיים

לקצה קדמי RF:

מגברי הספק ניידים (PA), משדרי-מקלט לוויינים (למשל, טרנזיסטורי HEMT מבוססי GaAs).

לאופטואלקטרוניקה:

דיודות לייזר (כונני תקליטורים/DVD), נוריות LED (אדום/אינפרא אדום), מודולי סיבים אופטיים (לייזרי InP).

לתאי שמש בחלל:

תאי GaAs משיגים יעילות של 30% (לעומת ~20% עבור סיליקון), דבר קריטי עבור לוויינים. 

לצווארי בקבוק טכנולוגיים

עלויות גבוהות מגבילות GaAs/InP ליישומים מתקדמים בנישה, ומונעות מהם להחליף את הדומיננטיות של סיליקון בשבבי לוגיקה.

מוליכים למחצה דור שלישי (מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב): סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN)

מניעי טכנולוגיה

מהפכת האנרגיה: כלי רכב חשמליים ושילוב רשת אנרגיה מתחדשת דורשים התקני חשמל יעילים יותר.

דרישות תדר גבוה: מערכות תקשורת ומכ"ם של 5G דורשות תדרים וצפיפות הספק גבוהים יותר.

סביבות קיצוניות: יישומי מנועים בתחום התעופה והתעשייה זקוקים לחומרים המסוגלים לעמוד בטמפרטורות העולות על 200 מעלות צלזיוס.

מאפייני חומר

יתרונות של פער אנרגיה רחב:

לSiC: פער אנרגיה של 3.26 eV, עוצמת שדה חשמלי פריצה פי 10 מזו של סיליקון, מסוגל לעמוד במתחים מעל 10kV.

לGaN: פער אנרגיה של 3.4eV, ניידות אלקטרונים של 2200 סמ"ר/(V·s), מצטיין בביצועים בתדרים גבוהים.

ניהול תרמי:

מוליכות תרמית של SiC מגיעה ל-4.9 W/(cm·K), טובה פי שלושה מזו של סיליקון, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים בעלי הספק גבוה.

אתגרים מהותיים

SiC: צמיחה איטית של גביש בודד דורשת טמפרטורות מעל 2000 מעלות צלזיוס, מה שמביא לפגמים בפרוסות סיליקון ועלויות גבוהות (פרוסת סיליקון בגודל 6 אינץ' יקרה פי 20 מסיליקון).

GaN: חסר מצע טבעי, ולעתים קרובות דורש הטרואפיטקסיה על מצעי ספיר, SiC או סיליקון, מה שמוביל לבעיות של אי-התאמה בסריג.

יישומים מרכזיים

אלקטרוניקה של כוח:

ממירים לרכבים חשמליים (למשל, טסלה מודל 3 משתמש בטרנזיסטורי MOSFET של SiC, מה שמשפר את היעילות ב-5-10%).

עמדות/מתאמים לטעינה מהירה (מכשירי GaN מאפשרים טעינה מהירה של 100W+ תוך הפחתת הגודל ב-50%).

התקני RF:

מגברי הספק של תחנות בסיס 5G (מגברי GaN-on-SiC תומכים בתדרי גלים mmWave).

מכ"ם צבאי (GaN מציע צפיפות הספק פי 5 מזו של GaAs).

אופטואלקטרוניקה:

נוריות UV (חומרי AlGaN המשמשים לחיטוי וגילוי איכות מים).

מצב התעשייה ותחזית עתידית

SiC שולט בשוק הספק גבוה, כאשר מודולים ברמת רכב כבר נמצאים בייצור המוני, אם כי העלויות נותרות מכשול.

GaN מתרחב במהירות בתחום האלקטרוניקה הצרכנית (טעינה מהירה) ויישומי RF, ועובר לכיוון פרוסות 8 אינץ'.

חומרים מתפתחים כמו תחמוצת גליום (Ga₂O₃, פער אנרגיה 4.8eV) ויהלום (5.5eV) עשויים ליצור "דור רביעי" של מוליכים למחצה, ולדחוף את גבולות המתח מעבר ל-20kV.

דו-קיום וסינרגיה של דורות מוליכים למחצה

השלמה, לא החלפה:

סיליקון נותר דומיננטי בשוק שבבי לוגיקה ואלקטרוניקה צרכנית (95% משוק המוליכים למחצה העולמי).

GaAs ו-InP מתמחים בנישות בתדר גבוה ואופטואלקטרוניקה.

SiC/GaN הם חומרים הכרחיים באנרגיה וביישומים תעשייתיים.

דוגמאות לשילוב טכנולוגי:

GaN-on-Si: משלב GaN עם מצעי סיליקון זולים עבור טעינה מהירה ויישומי RF.

מודולים היברידיים SiC-IGBT: שיפור יעילות המרת הרשת.

מגמות עתידיות:

אינטגרציה הטרוגנית: שילוב חומרים (למשל, Si + GaN) על שבב יחיד כדי לאזן בין ביצועים לעלות.

חומרים בעלי פער אנרגיה רחב במיוחד (למשל, Ga₂O₃, יהלום) עשויים לאפשר יישומי מתח גבוה במיוחד (>20kV) ומחשוב קוונטי.

הפקה קשורה

פרוסת אפיטקסיאלית לייזר GaAs 4 אינץ' 6 אינץ'

מצע SIC בגודל 12 אינץ' סיליקון קרביד, דרגה ראשונה, קוטר 300 מ"מ, גודל גדול 4H-N, מתאים לפיזור חום של מכשירים בעלי הספק גבוה