Material erdieroaleak hiru belaunaldi eraldatzailetan zehar eboluzionatu dute:
Lehen belaunaldiak (Si/Ge) elektronika modernoaren oinarriak ezarri zituen.
Bigarren belaunaldiak (GaAs/InP) optoelektronikako eta maiztasun handiko oztopoak hautsi zituen informazioaren iraultza bultzatzeko.
3. belaunaldiak (SiC/GaN) energia eta muturreko inguruneen erronkei heltzen die orain, karbono neutralitatea eta 6G aroa ahalbidetuz.
Aurrerapen honek materialen zientzian aldakortasunetik espezializaziora paradigma-aldaketa bat agerian uzten du.
1. Lehen belaunaldiko erdieroaleak: silizioa (Si) eta germanioa (Ge)
Aurrekari historikoak
1947an, Bell Labsek germanio transistorea asmatu zuen, erdieroaleen aroaren hasiera markatuz. 1950eko hamarkadarako, silizioak pixkanaka germanioa ordezkatu zuen zirkuitu integratuen (IC) oinarri gisa, bere oxido geruza egonkorrari (SiO₂) eta erreserba natural ugariei esker.
Materialen propietateak
ⅠBanda-tartea:
Germanioa: 0,67 eV (banda-tarte estua, ihes-korrontearen joera, tenperatura altuetan errendimendu eskasa).
Silizioa: 1.12eV (zeharkako banda-tartea, zirkuitu logikoetarako egokia baina argia igortzeko gai ez dena).
Ⅱ,Silizioaren abantailak:
Naturalki kalitate handiko oxido bat (SiO₂) sortzen du, MOSFET fabrikazioa ahalbidetuz.
Kostu txikia eta Lurrean ugaria (lurrazaleko konposizioaren % 28 inguru).
3.Mugak:
Elektroi-mugikortasun txikia (1500 cm²/(V·s) bakarrik), maiztasun handiko errendimendua mugatuz.
Tentsio/tenperatura tolerantzia ahula (gehienezko funtzionamendu-tenperatura ~150 °C).
Aplikazio nagusiak
i.Zirkuitu Integratuak (IC):
CPUek, memoria-txipek (adibidez, DRAM, NAND) silizioan oinarritzen dira integrazio-dentsitate handia lortzeko.
Adibidea: Intel-en 4004 (1971), lehenengo mikroprozesadore komertziala, 10μm-ko silizio teknologia erabili zuen.
Ⅱ,Energia gailuak:
Lehenengo tiristoreak eta tentsio baxuko MOSFETak (adibidez, ordenagailuentzako elikatze-iturriak) silizioan oinarrituta zeuden.
Erronkak eta zaharkitzea
Germanioa pixkanaka baztertu zen ihesak eta ezegonkortasun termikoa zirela eta. Hala ere, silizioak optoelektronikan eta potentzia handiko aplikazioetan dituen mugek hurrengo belaunaldiko erdieroaleen garapena bultzatu zuten.
Bigarren belaunaldiko erdieroaleak: galio arseniuroa (GaAs) eta indio fosfuroa (InP)
Garapenaren aurrekariak
1970eko eta 1980ko hamarkadetan, komunikazio mugikorrak, zuntz optikoko sareak eta sateliteen teknologiak bezalako arlo berriek maiztasun handiko eta eraginkortasun handiko optoelektroniko materialen eskaera premiazkoa sortu zuten. Horrek GaAs eta InP bezalako banda-tarte zuzeneko erdieroaleen aurrerapena bultzatu zuen.
Materialen propietateak
Banda-tartearen eta errendimendu optoelektronikoaren:
GaAs: 1,42 eV (banda-tarte zuzena, argi-igorpena ahalbidetzen du—laser/LEDetarako aproposa).
InP: 1,34 eV (uhin-luzera luzeko aplikazioetarako egokiagoa, adibidez, 1550 nm-ko zuntz optikoko komunikazioetarako).
Elektroi Mugikortasuna:
GaAs-ek 8500 cm²/(V·s) lortzen ditu, silizioa (1500 cm²/(V·s)) baino askoz hobea, eta GHz-ko seinaleen prozesaketarako optimoa bihurtuz.
Desabantailak
lSubstratu hauskorrak: Silizioa baino zailagoak dira fabrikatzen; GaAs obleak 10 aldiz gehiago kostatzen dira.
lOxido natiborik ez: Silizioaren SiO₂-k ez bezala, GaAs/InP-k ez du oxido egonkorrik, eta horrek dentsitate handiko zirkuitu integratuen fabrikazioa oztopatzen du.
Aplikazio nagusiak
lRF aurrealdeak:
Potentzia anplifikadore mugikorrak (PA), satelite bidezko transzeptoreak (adibidez, GaAs oinarritutako HEMT transistoreak).
lOptoelektronika:
Laser diodoak (CD/DVD unitateak), LEDak (gorriak/infragorri), zuntz optikoko moduluak (InP laserrak).
lEspazioko eguzki-zelulak:
GaAs zelulek % 30eko eraginkortasuna lortzen dute (silizioaren % 20 ingururen aldean), eta hori ezinbestekoa da sateliteentzat.
lOztopo teknologikoak
Kostu altuek GaAs/InP goi-mailako aplikazio nitxoetara mugatzen dituzte, eta horrek eragotzi egiten die silizioaren nagusitasuna txip logikoetan ordezkatzea.
Hirugarren Belaunaldiko Erdieroaleak (Banda Zabaleko Erdieroaleak): Silizio Karburoa (SiC) eta Galio Nitruroa (GaN)
Teknologiaren gidariak
Energia Iraultza: Ibilgailu elektrikoek eta energia berriztagarrien sarearen integrazioak potentzia-gailu eraginkorragoak eskatzen dituzte.
Maiztasun handiko beharrak: 5G komunikazioek eta radar sistemek maiztasun eta potentzia-dentsitate handiagoak behar dituzte.
Ingurune muturrekoak: Aire eta industria motorren aplikazioek 200 °C-tik gorako tenperaturak jasateko gai diren materialak behar dituzte.
Materialaren ezaugarriak
Banda-tarte zabalaren abantailak:
lSiC: 3,26 eV-ko banda-tartea, silizioarena baino 10 aldiz handiagoa den matxura-eremu elektrikoaren indarra, 10 kV-tik gorako tentsioak jasateko gai dena.
lGaN: 3,4 eV-ko banda-tartea, 2200 cm²/(V·s)-ko elektroi-mugikortasuna, maiztasun handiko errendimenduan bikaina.
Kudeaketa Termikoa:
SiC-ren eroankortasun termikoa 4,9 W/(cm·K)-ra iristen da, silizioarena baino hiru aldiz hobea, eta potentzia handiko aplikazioetarako aproposa da.
Materialen erronkak
SiC: Kristal bakarreko hazkunde motelak 2000 °C-tik gorako tenperaturak behar ditu, eta horrek akatsak eta kostu handiak sortzen ditu obleetan (6 hazbeteko SiC oblea silizioa baino 20 aldiz garestiagoa da).
GaN: Substratu naturalik ez du, askotan heteroepitaxia behar du zafiro, SiC edo siliziozko substratuetan, sare-desadostasun arazoak sortuz.
Aplikazio nagusiak
Potentzia Elektronika:
Ibilgailu elektrikoen inbertsoreek (adibidez, Tesla Model 3-k SiC MOSFETak erabiltzen ditu, eta horrek eraginkortasuna % 5-10 hobetzen du).
Kargatze azkarreko estazioak/egokigailuak (GaN gailuek 100W+ kargatze azkarra ahalbidetzen dute, tamaina % 50 murriztuz).
RF gailuak:
5G oinarrizko estazioko potentzia anplifikadoreak (GaN-on-SiC PA-ek mmWave maiztasunak onartzen dituzte).
Radar militarra (GaN-k GaAs-ek baino 5 aldiz potentzia-dentsitatea eskaintzen du).
Optoelektronika:
UV LEDak (esterilizazioan eta uraren kalitatea detektatzeko erabiltzen diren AlGaN materialak).
Industriaren egoera eta etorkizuneko ikuspegia
SiC-k menderatzen du potentzia handiko merkatua, automobilgintzako moduluak dagoeneko ekoizpen masiboan daudelarik, nahiz eta kostuak oztopo izaten jarraitzen duten.
GaN azkar hedatzen ari da kontsumo-elektronikan (karga azkarra) eta RF aplikazioetan, 8 hazbeteko obleak alderatuz.
Galio oxidoa (Ga₂O₃, 4.8eV-ko banda-tartea) eta diamantea (5.5eV) bezalako material emergenteek erdieroaleen "laugarren belaunaldia" osa dezakete, tentsio-mugak 20kV-tik gora bultzatuz.
Erdieroaleen Belaunaldien Koexistentzia eta Sinergia
Osagarritasuna, ez ordezkapena:
Silizioa nagusi izaten jarraitzen du txip logikoetan eta kontsumo elektronikan (mundu mailako erdieroaleen merkatuaren % 95).
GaAs eta InP maiztasun handiko eta optoelektroniko nitxoetan espezializatuta daude.
SiC/GaN ordezkaezinak dira energia eta industria aplikazioetan.
Teknologiaren Integrazio Adibideak:
GaN-on-Si: GaN siliziozko substratu merkeak konbinatzen ditu karga azkarrerako eta RF aplikazioetarako.
SiC-IGBT hibrido moduluak: Sarearen bihurketa-eraginkortasuna hobetzen dute.
Etorkizuneko joerak:
Integrazio heterogeneoa: materialak (adibidez, Si + GaN) txip bakarrean konbinatzea errendimendua eta kostua orekatzeko.
Banda-tarte ultra-zabaleko materialek (adibidez, Ga₂O₃, diamantea) tentsio ultra-altuko (>20kV) eta konputazio kuantikoaren aplikazioak ahalbidetu ditzakete.
Lotutako ekoizpena
GaAs laser epitaxial oblea 4 hazbetekoa 6 hazbetekoa
12 hazbeteko SIC substratua silizio karburozko kalitate goreneko 300 mm-ko diametrokoa, tamaina handikoa 4H-N, potentzia handiko gailuen beroa xahutzeko egokia
Argitaratze data: 2025eko maiatzaren 7a