توقعات وتحديات مواد أشباه الموصلات من الجيل الخامس

أشباه الموصلات هي حجر الزاوية لعصر المعلومات، وتكرار مواد أشباه الموصلات يحدد مباشرة حدود التقدم التكنولوجي البشري.من الجيل الأول من أشباه الموصلات القائمة على السيليكون إلى الجيل الرابع من مواد الفجوة الفائقة، كل موجة من الابتكارات دفعت إلى تطوير قفزة في الاتصالات والطاقة والحوسبة ومجالات أخرى.

من خلال تحليل خصائص و منطق استبدال الأجيال لأربعة أجيال من مواد أشباه الموصلاتيمكننا استنتاج الاتجاهات المحتملة للجيل الخامس من أشباه الموصلات ومناقشة طريق التقدم الصيني في هذا المجال.

I. خصائص الأجيال الأربعة من مواد أشباه الموصلات ومنطق استبدال الأجيال

أشباه الموصلات من الجيل الأول:

"العصر الأساسي" للسيليكون والجيرمانيوم

• الخصائص:تمثلها أشباه الموصلات الأساسية مثل السيليكون (Si) والجيرمانيوم (Ge) ، وقدمت مزايا مثل التكلفة المنخفضة، والمعالجة الناضجة، والموثوقية العالية.كانت محدودة بفارق ضيق نسبيا (Si: 1.12 eV ، Ge: 0.67 eV) ، مما يؤدي إلى ضعف مقاومة الجهد وعدم كفاية أداء التردد العالي.

• التطبيقات:الدوائر المتكاملة، الخلايا الشمسية، الأجهزة منخفضة الجهد و منخفضة التردد.

• سبب الاستبدال:مع زيادة الطلب على أداء عالية التردد وارتفاع درجة الحرارة في الاتصالات والإلكترونيات الضوئية ، لم تعد المواد القائمة على السيليكون قادرة على تلبية المتطلبات.

أشباه الموصلات من الجيل الثاني:

"الثورة الالكترونية الضوئية" في أشباه الموصلات المركبة

• الخصائص:ممثلة بواسطة أشباه الموصلات المركبة III-V مثل آرسنيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الانديوم (InP)، تتميز هذه المواد بمساحات واسعة (GaAs: 1.42 eV) وتحرك الكترونات العالي ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية التردد والبصرية الإلكترونية.

• التطبيقات:أجهزة 5G RF، الليزر، الاتصالات الفضائية.

• التحديات:ندرة المواد (على سبيل المثال، وفرة الانديوم هي 0.001٪ فقط) وتكاليف التصنيع العالية، مع العناصر السامة (مثل الزرنيخ) المعنية.

• سبب الاستبدال:طلب ظهور الطاقة الجديدة ومعدات الطاقة عالية الجهد مقاومة الجهد والكفاءة الأعلى ، مما دفع إلى ظهور مواد الفجوة العريضة.

أشباه الموصلات من الجيل الثالث:

"ثورة الطاقة" للمواد واسعة النطاق

• الخصائص:تركز هذه المواد حول كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) ، وتوفر فجوات واسعة بشكل كبير (SiC: 3.2 eV ، GaN: 3.4 eV) ، ومجالات كهربائية عالية الانهيار ،سلكية حرارية عالية، وأداء عالي التردد.

• التطبيقات:أنظمة القيادة الكهربائية في مركبات الطاقة الجديدة، محولات الطاقة الكهروضوئية، محطات قاعدة 5G.

• المزايا:بالمقارنة مع الأجهزة القائمة على السيليكون، فإنها تقلل من استهلاك الطاقة بأكثر من 50٪ وتقلص حجم الجهاز بنسبة 70٪.

• سبب الاستبدال:الميادين الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية تطلب مواد ذات أداء أعلى، مما أدى إلى ظهور مواد الفجوة الفائقة.

أشباه الموصلات من الجيل الرابع:

"الاكتشاف المتطرف" للمواد ذات الفجوة العريضة

• الخصائص:ممثلة(Ga2O3) والماس (C) ، هذه المواد تمدد الفجوة (Ga2O3: 4.8 eV) ، مما يوفر مقاومة التوصيل المنخفضة للغاية ، ومقاومة الجهد العالي للغاية ، وإمكانية خفض التكاليف بشكل كبير.
   

• التطبيقات:رقائق طاقة عالية الجهد، أجهزة الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية العميقة، أجهزة الاتصالات الكمية.
   

• الاختراقات:أجهزة أكسيد الغاليوم يمكن أن تتحمل فولتات تتجاوز 8000 فولت، مع ضعف الكفاءة مقارنة بأجهزة SiC.
   

• منطق الاستبدال:مع اقتراب الطلب العالمي على قوة الحوسبة وكفاءة الطاقة من الحدود الفيزيائية، يجب على المواد الجديدة تحقيق قفزات في الأداء على نطاق الكم.
   

التوجهات في أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الخامس

"مخطط المستقبل" للمواد الكمومية والهياكل ثنائية الأبعاد
 

إذا استمر المسار التطوري لـ "توسيع الفجوة النطاقية + التكامل الوظيفي" ، فقد يركز أشباه الموصلات من الجيل الخامس على الاتجاهات التالية: