Nova tehnologija materijala poboljšava performanse poluvodiča

Vrste i karakteristike novih materijala
silicijev karbid (SiC)
Silicijev karbid, kao poluvodički materijal sa širokim pojasnim razmakom, ima širinu zabranjenog pojasa od približno 3,3 elektron volta (eV), mnogo više od 1,1 elektron volta tradicionalnog silicija (Si). Zbog toga silicijev karbid ima veću toplinsku vodljivost i nosivost struje, što ga čini posebno pogodnim za scenarije primjene pri visokim temperaturama, visokim tlakovima i visokim frekvencijama.

U području energetske elektronike, SiC uređaji mogu učinkovito poboljšati učinkovitost sustava i smanjiti gubitak energije. Na primjer, SiC MOSFET naširoko se koristi u upravljanju energijom i motornom pogonu električnih vozila, sa svojim niskim otporom i visokom frekvencijom prebacivanja značajno poboljšavajući domet električnih vozila.

Galijev nitrid (GaN)
Galijev nitrid još je jedan široko proučavan poluvodički materijal sa širokim pojasnim razmakom, sa širinom razmaka od približno 3,4 elektron volta. GaN ima izvrsnu visokofrekventnu izvedbu i nizak gubitak vodljivosti, što ga čini prikladnim za visokofrekventne i visokonaponske primjene. GaN uređaji pokazali su prednosti u odnosu na tradicionalne silikonske uređaje u RF pojačalima snage i prekidačkim izvorima napajanja.

Osobito u 5G komunikacijskoj opremi, GaN materijal može podržati više radne frekvencije i veću izlaznu snagu, postajući jedan od važnih materijala za promicanje izgradnje 5G infrastrukture. Uz to, visoka učinkovitost GaN-a također je potaknula razvoj tehnologije bežičnog punjenja, čineći ga potencijalnim materijalom za budući prijenos energije.

2D materijali
Posljednjih su godina dvodimenzionalni materijali poput grafena i disulfida prijelaznih metala (kao što je MoS ₂) privukli široku pozornost u polju poluvodiča. Grafen ima izuzetno visoku mobilnost elektrona i toplinsku vodljivost, što ga čini idealnim materijalom za visokofrekventne i brze elektroničke uređaje.

Iako se dvodimenzionalni materijali još uvijek suočavaju s izazovima u proizvodnim procesima, ne može se zanemariti njihov potencijal u fleksibilnim elektroničkim uređajima male snage. Na primjer, tranzistori s efektom polja (FET) temeljeni na MoS₂ smatraju se ključnom komponentom budućih fleksibilnih elektroničkih uređaja, sposobnih za postizanje laganog dizajna uz zadržavanje visokih performansi.

Primjena tehnologije novih materijala
električno vozilo
Popularizacija električnih vozila postavila je veće zahtjeve za poluvodičke materijale. Primjena materijala SiC i GaN čini energetski sustav električnih vozila učinkovitijim. Diode od silicij-karbida i MOSFET-ovi mogu izdržati više napone i temperature, čime se smanjuju gubici u punjenju, obnovi energije i prijenosu energije.

Na primjer, mnogi proizvođači električnih vozila počeli su usvajati SiC tehnologiju kako bi zamijenili tradicionalne silikonske uređaje i poboljšali učinkovitost pretvorbe energije električnih vozila. To ne samo da poboljšava izdržljivost vozila, već i skraćuje vrijeme punjenja baterije.

5G komunikacija
Brzi razvoj 5G tehnologije potaknuo je potražnju za poluvodičkim materijalima visokih performansi. Uređaji s galijevim nitridom postali su preferirani materijal za 5G bazne stanice i terminalnu opremu zbog svojih izvrsnih visokofrekventnih performansi. Karakteristike visoke snage GaN-a omogućuju mu rukovanje većim podatkovnim prometom, pružajući veće brzine prijenosa i nižu latenciju za 5G mreže.

U međuvremenu, uz široku primjenu 5G uređaja, povezane RF i mikrovalne tehnologije također se neprestano razvijaju. Primjena novih materijala pomoći će u izgradnji velikih 5G baznih stanica, poboljšavajući ukupnu stabilnost i pokrivenost mreže.

obnovljiva energija
Nova tehnologija materijala također igra važnu ulogu u području obnovljive energije. Energetski elektronički uređaji temeljeni na silicijevom karbidu naširoko se koriste u solarnim pretvaračima i sustavima za proizvodnju energije vjetra, poboljšavajući učinkovitost pretvorbe energije.

Usvajanjem SiC tehnologije, solarni pretvarači mogu učinkovitije pretvarati istosmjernu struju u izmjeničnu, značajno smanjujući gubitke energije i promičući širu primjenu obnovljive energije. Osim toga, tehnologija galij nitrida također je pokazala svoje prednosti u sustavima upravljanja baterijama, poboljšavajući ukupnu energetsku učinkovitost.

Trend budućeg razvoja tehnologije novih materijala
Stalna inovacija materijala
Uz kontinuirani napredak znanosti i tehnologije, inovacije u poluvodičkim materijalima će se nastaviti. U budućnosti će se razvijati više novih materijala s vrhunskim električnim performansama i mogućnostima upravljanja toplinom. Ovi novi materijali zadovoljit će potražnju za uređajima viših performansi, posebno u aplikacijama s velikom snagom, visokom frekvencijom i ekstremnim okruženjima.

Unapređenje procesa proizvodnje
Primjena novih materijala također postavlja veće zahtjeve za proizvodne procese. S razvojem novih proizvodnih tehnologija kao što su 3D ispis i nanotehnologija, proces proizvodnje poluvodičkih uređaja postat će profinjeniji i inteligentniji. To će promicati brzu komercijalizaciju i primjenu novih materijala.

Zaštita okoliša i održivi razvoj
Sve veća ekološka svijest na globalnoj razini izvršila je pritisak na industriju poluvodiča da se podvrgne transformaciji. U budućnosti će razvoj ekološki prihvatljivih poluvodičkih materijala postati trend u industriji. Na primjer, ekološki prihvatljivi materijali koji zamjenjuju štetne tvari ne samo da pomažu u poboljšanju performansi uređaja, već su i usklađeni s konceptom održivog razvoja.