Polovodičové materiály sa vyvíjali v troch transformačných generáciách:
1. generácia (Si/Ge) položila základy modernej elektroniky,
2. generácia (GaAs/InP) prelomila optoelektronické a vysokofrekvenčné bariéry a poháňala informačnú revolúciu,
Tretia generácia (SiC/GaN) teraz rieši energetické a extrémne environmentálne výzvy, čím umožňuje uhlíkovú neutralitu a éru 6G.
Tento vývoj odhaľuje posun paradigmy od všestrannosti k špecializácii v materiálovej vede.
1. Polovodiče prvej generácie: kremík (Si) a germánium (Ge)
Historické pozadie
V roku 1947 spoločnosť Bell Labs vynašla germániový tranzistor, čím sa začal začiatok éry polovodičov. Do 50. rokov 20. storočia kremík postupne nahradil germánium ako základ integrovaných obvodov (IO) vďaka svojej stabilnej oxidovej vrstve (SiO₂) a bohatým prírodným zásobám.
Vlastnosti materiálu
ⅠZakázané pásmo:
Germánium: 0,67 eV (úzka medzera pásma, náchylné na zvodový prúd, slabý výkon pri vysokých teplotách).
Kremík: 1,12 eV (nepriama medzera pásma, vhodná pre logické obvody, ale neschopná vyžarovania svetla).
II,Výhody silikónu:
Prirodzene tvorí vysokokvalitný oxid (SiO₂), čo umožňuje výrobu MOSFETov.
Nízke náklady a hojné zastúpenie na Zemi (~28 % zloženia zemskej kôry).
Ⅲ,Obmedzenia:
Nízka mobilita elektrónov (iba 1500 cm²/(V·s)), čo obmedzuje výkon pri vysokých frekvenciách.
Slabá tolerancia napätia/teploty (maximálna prevádzková teplota ~150 °C).
Kľúčové aplikácie
Ⅰ,Integrované obvody (IO):
CPU a pamäťové čipy (napr. DRAM, NAND) sa spoliehajú na kremík pre vysokú hustotu integrácie.
Príklad: Intel 4004 (1971), prvý komerčný mikroprocesor, používal 10 μm kremíkovú technológiu.
II,Napájacie zariadenia:
Prvé tyristory a nízkonapäťové MOSFETy (napr. napájacie zdroje pre PC) boli na báze kremíka.
Výzvy a zastaranosť
Germánium bolo postupne vyradené z používania kvôli úniku a tepelnej nestabilite. Obmedzenia kremíka v optoelektronike a aplikáciách s vysokým výkonom však podnietili vývoj polovodičov novej generácie.
2Polovodiče druhej generácie: arzenid gália (GaAs) a fosfid india (InP)
Pozadie vývoja
Počas 70. a 80. rokov 20. storočia vznikajúce oblasti ako mobilná komunikácia, optické siete a satelitné technológie vytvorili naliehavý dopyt po vysokofrekvenčných a efektívnych optoelektronických materiáloch. To viedlo k pokroku v polovodičoch s priamou medzerou pásma, ako sú GaAs a InP.
Vlastnosti materiálu
Výkon pásmovej medzery a optoelektronický výkon:
GaAs: 1,42 eV (priama šírka zakázaného pásma, umožňuje vyžarovanie svetla – ideálne pre lasery/LED diódy).
InP: 1,34 eV (lepšie vhodné pre aplikácie s dlhými vlnovými dĺžkami, napr. komunikácia s optickými vláknami 1550 nm).
Mobilita elektrónov:
GaAs dosahuje 8500 cm²/(V·s), čím výrazne prekonáva kremík (1500 cm²/(V·s)), vďaka čomu je optimálny pre spracovanie signálu v GHz rozsahu.
Nevýhody
lKrehké substráty: Ťažšie sa vyrábajú ako kremíkové; GaAs doštičky stoja 10-krát viac.
lŽiadny natívny oxid: Na rozdiel od kremíkového SiO₂, GaAs/InP nemá stabilné oxidy, čo bráni výrobe integrovaných obvodov s vysokou hustotou.
Kľúčové aplikácie
lRF vstupné zariadenia:
Mobilné výkonové zosilňovače (PA), satelitné vysielače a prijímače (napr. tranzistory HEMT na báze GaAs).
lOptoelektronika:
Laserové diódy (CD/DVD mechaniky), LED diódy (červené/infračervené), moduly z optických vlákien (InP lasery).
lVesmírne solárne články:
Články GaAs dosahujú účinnosť 30 % (oproti ~20 % u kremíka), čo je pre satelity kľúčové.
lTechnologické úzke miesta
Vysoké náklady obmedzujú GaAs/InP na špecializované špičkové aplikácie, čo im bráni v tom, aby nahradili dominanciu kremíka v logických čipoch.
Polovodiče tretej generácie (polovodiče so širokým pásmovým zakázaným pásmom): karbid kremíka (SiC) a nitrid gália (GaN)
Technologické faktory
Energetická revolúcia: Elektromobily a integrácia obnoviteľných zdrojov energie do siete si vyžadujú efektívnejšie energetické zariadenia.
Potreby vysokých frekvencií: Komunikačné a radarové systémy 5G vyžadujú vyššie frekvencie a hustotu výkonu.
Extrémne prostredie: Aplikácie v leteckom priemysle a priemyselných motoroch vyžadujú materiály schopné odolávať teplotám presahujúcim 200 °C.
Materiálové vlastnosti
Výhody širokého pásmového zakázaného pásma:
lSiC: Zakázané pásmo 3,26 eV, prierazná sila elektrického poľa 10× väčšia ako u kremíka, schopný odolávať napätiu nad 10 kV.
lGaN: Zakázané pásmo 3,4 eV, mobilita elektrónov 2200 cm²/(V·s), vynikajúci výkon pri vysokých frekvenciách.
Tepelný manažment:
Tepelná vodivosť SiC dosahuje 4,9 W/(cm·K), čo je trikrát lepšie ako u kremíka, vďaka čomu je ideálny pre aplikácie s vysokým výkonom.
Materiálne výzvy
SiC: Pomalý rast monokryštálov vyžaduje teploty nad 2000 °C, čo vedie k defektom na doštičkách a vysokým nákladom (6-palcová doštička SiC je 20-krát drahšia ako kremíková).
GaN: Chýba mu prirodzený substrát, často vyžaduje heteroepitaxiu na zafírových, SiC alebo kremíkových substrátoch, čo vedie k problémom s mriežkovým nesúladom.
Kľúčové aplikácie
Výkonová elektronika:
Meniče pre elektromobily (napr. Tesla Model 3 používa SiC MOSFETy, čím sa zvyšuje účinnosť o 5 – 10 %).
Rýchlonabíjacie stanice/adaptéry (zariadenia GaN umožňujú rýchle nabíjanie s výkonom 100 W a viac a zároveň zmenšujú veľkosť o 50 %).
Rádiofrekvenčné zariadenia:
Výkonové zosilňovače základňových staníc 5G (PA zosilňovače GaN-on-SiC podporujú milimetrové vlnové frekvencie).
Vojenský radar (GaN ponúka 5-násobnú hustotu výkonu oproti GaAs.
Optoelektronika:
UV LED diódy (materiály AlGaN používané pri sterilizácii a detekcii kvality vody).
Stav odvetvia a výhľad do budúcnosti
SiC dominuje na trhu s vysokovýkonnými batériami, pričom moduly automobilovej triedy sa už hromadne vyrábajú, hoci náklady zostávajú prekážkou.
GaN sa rýchlo rozširuje v spotrebnej elektronike (rýchle nabíjanie) a RF aplikáciách a prechádza na 8-palcové doštičky.
Nové materiály ako oxid gália (Ga₂O₃, šírka zakázaného pásma 4,8 eV) a diamant (5,5 eV) môžu tvoriť „štvrtú generáciu“ polovodičov, čím sa posúvajú limity napätia nad 20 kV.
Koexistencia a synergia generácií polovodičov
Doplnkovosť, nie nahradenie:
Kremík zostáva dominantný v logických čipoch a spotrebnej elektronike (95 % svetového trhu s polovodičmi).
GaAs a InP sa špecializujú na oblasti vysokých frekvencií a optoelektroniky.
SiC/GaN sú nenahraditeľné v energetických a priemyselných aplikáciách.
Príklady integrácie technológií:
GaN-na-Si: Kombinuje GaN s lacnými kremíkovými substrátmi pre rýchle nabíjanie a RF aplikácie.
Hybridné moduly SiC-IGBT: Zlepšenie účinnosti konverzie siete.
Budúce trendy:
Heterogénna integrácia: Kombinácia materiálov (napr. Si + GaN) na jednom čipe s cieľom vyvážiť výkon a náklady.
Materiály s ultraširokou zakázanou pásmovou medzerou (napr. Ga₂O₃, diamant) môžu umožniť aplikácie s ultravysokým napätím (> 20 kV) a kvantovými výpočtami.
Súvisiaca výroba
GaAs laserová epitaxná doštička 4 palce 6 palcov
12-palcový SIC substrát z karbidu kremíka najvyššej triedy s priemerom 300 mm, veľká veľkosť 4H-N, vhodný pre odvod tepla zariadení s vysokým výkonom.
Čas uverejnenia: 7. mája 2025