لقد تطورت المواد شبه الموصلة عبر ثلاثة أجيال تحويلية:
وضع الجيل الأول (Si/Ge) الأساس للإلكترونيات الحديثة،
لقد اخترق الجيل الثاني (GaAs/InP) الحواجز البصرية الإلكترونية والترددات العالية لتشغيل ثورة المعلومات،
تعمل تقنية الجيل الثالث (SiC/GaN) الآن على معالجة تحديات الطاقة والبيئة القاسية، مما يتيح تحقيق الحياد الكربوني وعصر الجيل السادس.
ويكشف هذا التقدم عن تحول نموذجي من التنوع إلى التخصص في علم المواد.
1. أشباه الموصلات من الجيل الأول: السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)
الخلفية التاريخية
في عام ١٩٤٧، اخترعت مختبرات بيل ترانزستور الجرمانيوم، إيذانًا ببزوغ فجر عصر أشباه الموصلات. وبحلول خمسينيات القرن الماضي، حل السيليكون تدريجيًا محل الجرمانيوم كأساس للدوائر المتكاملة (ICs)، بفضل طبقة أكسيده المستقرة (SiO₂) واحتياطياته الطبيعية الوفيرة.
خصائص المواد
1فجوة النطاق:
الجرمانيوم: 0.67 إلكترون فولت (فجوة نطاق ضيقة، عرضة لتسرب التيار، أداء ضعيف في درجات الحرارة العالية).
السيليكون: 1.12 إلكترون فولت (فجوة النطاق غير المباشرة، مناسبة للدوائر المنطقية ولكنها غير قادرة على إصدار الضوء).
2-مميزات السيليكون:
يشكل بشكل طبيعي أكسيد عالي الجودة (SiO₂)، مما يتيح تصنيع MOSFET.
منخفضة التكلفة ومتوفرة بكثرة في الأرض (حوالي 28% من تكوين القشرة الأرضية).
ثالثا،القيود:
انخفاض حركة الإلكترونات (1500 سم²/(فولت·ثانية)) فقط، مما يحد من الأداء عالي التردد.
تحمل ضعيف للجهد/درجة الحرارة (أقصى درجة حرارة تشغيل ~150 درجة مئوية).
التطبيقات الرئيسية
1،الدوائر المتكاملة (ICs):
تعتمد وحدات المعالجة المركزية وشرائح الذاكرة (على سبيل المثال، DRAM وNAND) على السيليكون لتحقيق كثافة تكامل عالية.
على سبيل المثال: استخدم معالج Intel 4004 (1971)، وهو أول معالج تجاري، تقنية السيليكون 10 ميكرومتر.
2-أجهزة الطاقة:
كانت الثايرستورات المبكرة و MOSFETs ذات الجهد المنخفض (على سبيل المثال، إمدادات الطاقة للكمبيوتر الشخصي) تعتمد على السيليكون.
التحديات والتقادم
تم التخلص تدريجيًا من الجرمانيوم بسبب تسربه وعدم استقراره الحراري. إلا أن محدودية استخدام السيليكون في الإلكترونيات الضوئية وتطبيقات الطاقة العالية حفزت تطوير الجيل التالي من أشباه الموصلات.
2أشباه الموصلات من الجيل الثاني: زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP)
خلفية التطوير
خلال سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، أدت مجالات ناشئة، مثل الاتصالات المتنقلة وشبكات الألياف الضوئية وتكنولوجيا الأقمار الصناعية، إلى زيادة الطلب على المواد البصرية الإلكترونية عالية التردد والفعالة. وقد أدى ذلك إلى تطوير أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشرة، مثل GaAs وInP.
خصائص المواد
فجوة النطاق والأداء البصري الإلكتروني:
GaAs: 1.42 إلكترون فولت (فجوة نطاق مباشرة، تمكن انبعاث الضوء - مثالية لليزر/مصابيح LED).
InP: 1.34eV (مناسب بشكل أفضل لتطبيقات الطول الموجي الطويل، على سبيل المثال، اتصالات الألياف الضوئية 1550 نانومتر).
حركة الإلكترون:
يصل GaAs إلى 8500 سم²/(فولت·ثانية)، متجاوزًا السيليكون (1500 سم²/(فولت·ثانية))، مما يجعله مثاليًا لمعالجة الإشارات في نطاق جيجاهيرتز.
العيوب
لالركائز الهشة: أصعب في التصنيع من السيليكون؛ وتكلفة رقائق GaAs أعلى بعشر مرات.
للا يوجد أكسيد أصلي: على عكس SiO₂ الموجود في السيليكون، يفتقر GaAs/InP إلى أكاسيد مستقرة، مما يعيق تصنيع IC عالي الكثافة.
التطبيقات الرئيسية
لواجهات RF الأمامية:
مكبرات الطاقة المحمولة (PAs)، وأجهزة الإرسال والاستقبال عبر الأقمار الصناعية (على سبيل المثال، ترانزستورات HEMT القائمة على GaAs).
لالإلكترونيات الضوئية:
ثنائيات الليزر (محركات الأقراص المضغوطة/أقراص الفيديو الرقمية)، مصابيح LED (الحمراء/الأشعة تحت الحمراء)، وحدات الألياف البصرية (ليزر InP).
لالخلايا الشمسية الفضائية:
تصل كفاءة خلايا GaAs إلى 30% (مقارنة بنحو 20% للسيليكون)، وهو أمر بالغ الأهمية للأقمار الصناعية.
لالاختناقات التكنولوجية
إن التكاليف المرتفعة تحصر GaAs/InP في تطبيقات متخصصة عالية المستوى، مما يمنعها من إزاحة هيمنة السيليكون في الرقائق المنطقية.
أشباه الموصلات من الجيل الثالث (أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض): كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN)
محركات التكنولوجيا
ثورة الطاقة: تتطلب المركبات الكهربائية وتكامل شبكة الطاقة المتجددة أجهزة طاقة أكثر كفاءة.
احتياجات الترددات العالية: تتطلب أنظمة الاتصالات والرادار 5G ترددات وكثافة طاقة أعلى.
البيئات القاسية: تحتاج تطبيقات الطيران والمحركات الصناعية إلى مواد قادرة على تحمل درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية.
خصائص المواد
مزايا فجوة النطاق العريض:
لSiC: فجوة نطاقية تبلغ 3.26 إلكترون فولت، وقوة المجال الكهربائي للانهيار 10 أضعاف قوة السيليكون، وقادر على تحمل الفولتية التي تزيد عن 10 كيلو فولت.
لGaN: فجوة نطاق تبلغ 3.4 إلكترون فولت، وحركة إلكترونية تبلغ 2200 سم²/(فولت·ثانية)، وتتميز بالأداء عالي التردد.
الإدارة الحرارية:
تصل الموصلية الحرارية لـ SiC إلى 4.9 واط/(سم·كلفن)، أي أفضل بثلاث مرات من السيليكون، مما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الطاقة.
التحديات المادية
SiC: يتطلب النمو البطيء للبلورة المفردة درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى عيوب في الرقاقة وتكاليف عالية (رقاقة SiC مقاس 6 بوصات أغلى بنحو 20 مرة من السيليكون).
GaN: يفتقر إلى ركيزة طبيعية، وغالبًا ما يتطلب تكوين طبقات متجانسة على ركائز الياقوت أو كربيد السيليكون أو السيليكون، مما يؤدي إلى مشكلات عدم تطابق الشبكة.
التطبيقات الرئيسية
إلكترونيات الطاقة:
عاكسات السيارات الكهربائية (على سبيل المثال، يستخدم طراز Tesla 3 ترانزستورات MOSFET المصنوعة من SiC، مما يحسن الكفاءة بنسبة 5-10%).
محطات/محولات الشحن السريع (تمكّن أجهزة GaN من الشحن السريع بقوة 100 وات+ مع تقليل الحجم بنسبة 50%).
أجهزة التردد اللاسلكي:
مضخمات الطاقة لمحطات القاعدة 5G (تدعم مكبرات الصوت GaN-on-SiC ترددات mmWave).
الرادار العسكري (يوفر GaN كثافة طاقة أكبر بخمس مرات من GaAs).
الإلكترونيات الضوئية:
مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية (مواد AlGaN المستخدمة في التعقيم والكشف عن جودة المياه).
حالة الصناعة والتوقعات المستقبلية
تسيطر مادة SiC على سوق الطاقة العالية، حيث يتم إنتاج وحدات من الدرجة المخصصة للسيارات بكميات كبيرة بالفعل، على الرغم من أن التكاليف لا تزال تشكل عائقًا.
يشهد GaN توسعًا سريعًا في الإلكترونيات الاستهلاكية (الشحن السريع) وتطبيقات RF، والانتقال نحو رقائق مقاس 8 بوصات.
قد تشكل المواد الناشئة مثل أكسيد الجاليوم (Ga₂O₃، فجوة النطاق 4.8 إلكترون فولت) والماس (5.5 إلكترون فولت) "الجيل الرابع" من أشباه الموصلات، مما يدفع حدود الجهد إلى ما يزيد عن 20 كيلو فولت.
التعايش والتآزر بين أجيال أشباه الموصلات
التكامل وليس الاستبدال:
يظل السيليكون مهيمناً في الرقائق المنطقية والإلكترونيات الاستهلاكية (95% من سوق أشباه الموصلات العالمية).
تتخصص GaAs و InP في مجالات التردد العالي والبصريات الإلكترونية.
يعد SiC/GaN من المواد التي لا يمكن الاستغناء عنها في تطبيقات الطاقة والصناعة.
أمثلة على تكامل التكنولوجيا:
GaN-on-Si: يجمع GaN مع ركائز السيليكون منخفضة التكلفة للشحن السريع وتطبيقات RF.
وحدات SiC-IGBT الهجينة: تحسين كفاءة تحويل الشبكة.
الاتجاهات المستقبلية:
التكامل غير المتجانس: الجمع بين المواد (على سبيل المثال، Si + GaN) على شريحة واحدة لتحقيق التوازن بين الأداء والتكلفة.
قد تعمل المواد ذات فجوة النطاق العريض للغاية (على سبيل المثال، Ga₂O₃، الماس) على تمكين تطبيقات الجهد العالي للغاية (>20 كيلو فولت) والحوسبة الكمومية.
الإنتاج ذو الصلة
رقاقة ليزر GaAs الفوقية 4 بوصة 6 بوصة
12 بوصة من ركيزة SIC من كربيد السيليكون من الدرجة الأولى بقطر 300 مم وحجم كبير 4H-N مناسب لتبديد الحرارة في الأجهزة عالية الطاقة
وقت النشر: ٧ مايو ٢٠٢٥