پیش بینی ها و چالش های مواد نیمه هادی نسل پنجم

نیمه هادی ها سنگ بنای عصر اطلاعات هستند و تکرار مواد نیمه هادی مستقیماً مرزهای پیشرفت تکنولوژیکی انسان را تعریف می کند.از نسل اول نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون تا نسل چهارم مواد فوق العاده گسترده امروز، هر موج نوآوری باعث پیشرفت سریع در ارتباطات، انرژی، کامپیوتر و سایر زمینه ها شده است.

با تجزیه و تحلیل ویژگی ها و منطق جایگزینی نسل چهار نسل از مواد نیمه هادی،ما می توانیم جهت های احتمالی برای نیمه هادی های نسل پنجم را نتیجه گیری کنیم و در مورد مسیر پیشرفت چین در این حوزه بحث کنیم.

I. ویژگی های چهار نسل مواد نیمه هادی و منطق جایگزینی نسل

نیمه هادی های نسل اول:

"عصر پایه گذاری" سیلیکون و جرمنیوم

• مشخصات:آنها که توسط نیمه هادی های اولیه مانند سیلیکون (Si) و جرمنیوم (Ge) نشان داده می شوند، مزایای مانند هزینه پایین، پردازش بالغ و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می دهند.آنها توسط فاصله های نسبتا باریک محدود شده بودند (Si: 1.12 eV، Ge: 0.67 eV) ، که منجر به مقاومت ولتاژ ضعیف و عملکرد فرکانس بالا ناکافی می شود.

• کاربردها:مدارهای یکپارچه، سلول های خورشیدی، دستگاه های ولتاژ پایین و فرکانس پایین.

• دلیل جایگزینی:با افزایش تقاضا برای عملکرد فرکانس بالا و دمای بالا در ارتباطات و اپتو الکترونیک، مواد مبتنی بر سیلیکون دیگر نمی توانستند الزامات را برآورده کنند.

نیمه هادی های نسل دوم:

"انقلاب اپتوالکترونیک" نیمه هادی های ترکیبی

• مشخصات:از نیمه هادی های ترکیبی III-V مانند گالیوم آرسناید (GaAs) وفوسفید ایندیوم (InP)، این مواد دارای فواصل باند گسترده تر (GaAs: 1.42 eV) و تحرک الکترون بالا هستند، که آنها را برای برنامه های فرکانس بالا و اپتو الکترونیک مناسب می کند.

• کاربردها:دستگاه های 5G RF، لیزر، ارتباطات ماهواره ای.

• چالش ها:کمبود مواد (به عنوان مثال، فراوانی ایندیوم تنها 0.001٪ است) و هزینه های تولید بالا، با عناصر سمی (مانند آرسنیک) درگیر است.

• دلیل جایگزینی:ظهور انرژی جدید و تجهیزات قدرت ولتاژ بالا نیاز به مقاومت و بهره وری ولتاژ بالاتر دارد، که باعث ظهور مواد باند گپ گسترده می شود.

نیمه هادی های نسل سوم:

"انقلاب انرژی" مواد با باندگاپ گسترده

• مشخصات:این مواد که در اطراف کربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) متمرکز شده اند، فواصل باند به طور قابل توجهی گسترده تر (SiC: 3.2 eV، GaN: 3.4 eV) ، میدان های الکتریکی با تجزیه بالا،رسانایی حرارتی بالا، و عملکرد فرکانس بالا برتر

• کاربردها:سیستم های محرک الکتریکی در وسایل نقلیه انرژی جدید، اینورترهای خورشیدی، ایستگاه های پایه 5G.

• مزایا:در مقایسه با دستگاه های مبتنی بر سیلیکون، مصرف انرژی را بیش از ۵۰٪ کاهش می دهند و حجم دستگاه را ۷۰٪ کاهش می دهند.

• دلیل جایگزینی:زمینه های نوظهور مانند هوش مصنوعی و محاسبات کوانتومی مواد با عملکرد حتی بالاتر را مورد نیاز داشتند، که منجر به ظهور مواد باند گپ فوق العاده گسترده شد.

نیمه هادی های نسل چهارم:

"روشی فوق العاده" در زمینه مواد باندگاپ فوق العاده گسترده

• مشخصات:توسط(Ga2O3) و الماس (C) ، این مواد فاصله باند را بیشتر گسترش می دهند (Ga2O3: 4.8 eV) ، مقاومت رسانایی بسیار پایین ، مقاومت ولتاژ بسیار بالا و پتانسیل کاهش هزینه قابل توجهی را ارائه می دهند.
   

• کاربردها:تراشه هاي برق فوق ولتاژي، کشنده هاي اف تي عميق، دستگاه هاي ارتباطات کوانتومي
   

• پیشرفت ها:دستگاه های گالیوم اکسید می توانند به ولتاژ های بالاتر از 8000 ولت مقاومت کنند و بهره وری آنها در مقایسه با دستگاه های SiC سه برابر می شود.
   

• منطق جایگزینی:همانطور که تقاضای جهانی برای قدرت محاسباتی و بهره وری انرژی به محدودیت های فیزیکی نزدیک می شود، مواد جدید باید پیشرفت های عملکردی در مقیاس کوانتومی را به دست آورند.
   

II. روند برای نیمه هادی های نسل پنجم:

نقشه آینده مواد کوانتومی و ساختارهای دو بعدی
 

اگر مسیر تکاملی "افزایش فاصله باند + ادغام عملکردی" ادامه یابد، نیمه هادی های نسل پنجم ممکن است بر روی جهت های زیر تمرکز کنند: