วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก รุ่นที่สอง รุ่นที่สาม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีวิวัฒนาการผ่านสามยุคการเปลี่ยนแปลง:

รุ่นที่ 1 (Si/Ge) วางรากฐานของระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

รุ่นที่ 2 (GaAs/InP) ทำลายกำแพงออปโตอิเล็กทรอนิกส์และความถี่สูงเพื่อขับเคลื่อนการปฏิวัติข้อมูล

รุ่นที่ 3 (SiC/GaN) เข้ามาจัดการกับความท้าทายด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ช่วยให้เกิดความเป็นกลางทางคาร์บอนและยุค 6G

ความก้าวหน้าครั้งนี้เผยให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่จากความหลากหลายไปสู่ความเชี่ยวชาญเฉพาะทางด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ

1. สารกึ่งตัวนำรุ่นแรก: ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge)

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2490 เบลล์แล็บส์ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียม ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของยุคสารกึ่งตัวนำ พอถึงช่วงทศวรรษ 1950 ซิลิคอนค่อยๆ เข้ามาแทนที่เจอร์เมเนียมในฐานะรากฐานของวงจรรวม (IC) เนื่องจากมีชั้นออกไซด์ที่เสถียร (SiO₂) และมีปริมาณสำรองตามธรรมชาติที่อุดมสมบูรณ์

คุณสมบัติของวัสดุ

Ⅰแบนด์แก๊ป:

เจอร์เมเนียม: 0.67eV (แบนด์แก๊ปแคบ มีแนวโน้มที่จะเกิดกระแสรั่วไหล ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงไม่ดี)

ซิลิกอน: 1.12eV (แบนด์แก๊ปทางอ้อม เหมาะสำหรับวงจรตรรกะแต่ไม่สามารถปล่อยแสงได้)

Ⅱ、ข้อดีของซิลิกอน:

สร้างออกไซด์คุณภาพสูง (SiO₂) ตามธรรมชาติ ทำให้สามารถผลิต MOSFET ได้

ต้นทุนต่ำและมีปริมาณดินอุดมสมบูรณ์ (~28% ขององค์ประกอบเปลือกโลก)

Ⅲ、ข้อจำกัด:

ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนต่ำ (เพียง 1,500 ซม.²/(V·s)) ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพความถี่สูง

ทนต่อแรงดันไฟฟ้า/อุณหภูมิอ่อน (อุณหภูมิการทำงานสูงสุด ~150°C)

แอปพลิเคชันหลัก

Ⅰ、วงจรรวม (ICs):

ซีพียู ชิปหน่วยความจำ (เช่น DRAM, NAND) อาศัยซิลิกอนเพื่อความหนาแน่นการรวมสูง

ตัวอย่าง: Intel 4004 (พ.ศ. 2514) ซึ่งเป็นไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรก ใช้เทคโนโลยีซิลิกอน 10μm

Ⅱ、อุปกรณ์ไฟฟ้า:

ไทริสเตอร์และ MOSFET แรงดันต่ำในยุคแรก (เช่น แหล่งจ่ายไฟพีซี) เป็นแบบซิลิกอน

ความท้าทายและความล้าสมัย

เจอร์เมเนียมถูกยกเลิกการใช้งานเนื่องจากการรั่วไหลและความไม่เสถียรทางความร้อน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของซิลิคอนในออปโตอิเล็กทรอนิกส์และการใช้งานกำลังสูงเป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ยุคใหม่

สารกึ่งตัวนำรุ่นที่สอง: แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP)

พื้นฐานการพัฒนา

ในช่วงทศวรรษ 1970-1980 สาขาใหม่ ๆ อย่างเช่น การสื่อสารเคลื่อนที่ เครือข่ายใยแก้วนำแสง และเทคโนโลยีดาวเทียม ได้ก่อให้เกิดความต้องการวัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงที่มีประสิทธิภาพอย่างเร่งด่วน ปัจจัยเหล่านี้ผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าของสารกึ่งตัวนำแบนด์แก็ปโดยตรง เช่น GaAs และ InP

คุณสมบัติของวัสดุ

ประสิทธิภาพของแบนด์แก๊ปและออปโตอิเล็กทรอนิกส์:

GaAs: 1.42eV (แบนด์แก๊ปโดยตรง ช่วยให้ปล่อยแสงได้ เหมาะสำหรับเลเซอร์/LED)

InP: 1.34eV (เหมาะกว่าสำหรับการใช้งานที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก 1550 นาโนเมตร)

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน:

GaAs บรรลุ 8,500 ซม.²/(V·s) ซึ่งสูงกว่าซิลิกอน (1,500 ซม.²/(V·s)) มาก ทำให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการประมวลผลสัญญาณในช่วง GHz

ข้อเสีย

ล.วัสดุพิมพ์เปราะ: ผลิตยากกว่าซิลิกอน เวเฟอร์ GaAs มีราคาแพงกว่า 10 เท่า

ล.ไม่มีออกไซด์ดั้งเดิม: ไม่เหมือนกับ SiO₂ ของซิลิกอน GaAs/InP ขาดออกไซด์ที่เสถียร ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการผลิต IC ที่มีความหนาแน่นสูง

แอปพลิเคชันหลัก

ล.RF Front-Ends:

เครื่องขยายกำลังเคลื่อนที่ (PA) เครื่องส่งสัญญาณดาวเทียม (เช่น ทรานซิสเตอร์ HEMT ที่ใช้ GaAs)

ล.ออปโตอิเล็กทรอนิกส์:

ไดโอดเลเซอร์ (ไดรฟ์ซีดี/ดีวีดี), LED (สีแดง/อินฟราเรด), โมดูลไฟเบอร์ออปติก (เลเซอร์ InP)

ล.เซลล์แสงอาทิตย์ในอวกาศ:

เซลล์ GaAs มีประสิทธิภาพ 30% (เทียบกับซิลิกอนที่ประมาณ 20%) ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับดาวเทียม 

ล.คอขวดทางเทคโนโลยี

ต้นทุนที่สูงจำกัด GaAs/InP ให้ใช้งานเฉพาะในแอปพลิเคชันไฮเอนด์เฉพาะกลุ่มเท่านั้น ทำให้ไม่สามารถแทนที่การครอบงำของซิลิกอนในชิปตรรกะได้

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม (เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้าง): ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

ไดรเวอร์เทคโนโลยี

การปฏิวัติพลังงาน: ยานยนต์ไฟฟ้าและการบูรณาการโครงข่ายพลังงานหมุนเวียนต้องการอุปกรณ์พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ความต้องการความถี่สูง: ระบบการสื่อสารและเรดาร์ 5G ต้องใช้ความถี่และความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น

สภาพแวดล้อมที่รุนแรง: การใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและมอเตอร์ต้องใช้วัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิเกิน 200°C

ลักษณะของวัสดุ

ข้อดีของแบนด์แก๊ปกว้าง:

ล.SiC: แบนด์แก๊ป 3.26eV ความเข้มของสนามไฟฟ้าพังทลาย 10 เท่าของซิลิกอน สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 10kV ได้

ล.GaN: แบนด์แก๊ป 3.4eV, ความคล่องตัวของอิเล็กตรอน 2200 cm²/(V·s) โดดเด่นในด้านประสิทธิภาพความถี่สูง

การจัดการความร้อน:

ค่าการนำความร้อนของ SiC สูงถึง 4.9 W/(cm·K) ดีกว่าซิลิกอนถึง 3 เท่า จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีกำลังไฟสูง

ความท้าทายด้านวัสดุ

SiC: การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวที่ช้าต้องใช้ความร้อนสูงกว่า 2,000°C ส่งผลให้เวเฟอร์มีข้อบกพร่องและมีต้นทุนสูง (เวเฟอร์ SiC ขนาด 6 นิ้วมีราคาแพงกว่าซิลิกอน 20 เท่า)

GaN: ขาดสารตั้งต้นตามธรรมชาติ โดยมักต้องใช้เฮเทอโรอิพิแทกซีบนสารตั้งต้นแซฟไฟร์ SiC หรือซิลิกอน ทำให้เกิดปัญหาความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย

แอปพลิเคชันหลัก

อิเล็กทรอนิกส์กำลัง:

อินเวอร์เตอร์ EV (เช่น Tesla Model 3 ใช้ SiC MOSFET ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้ 5–10%)

สถานี/อะแดปเตอร์ชาร์จเร็ว (อุปกรณ์ GaN รองรับการชาร์จเร็ว 100W+ ในขณะที่ลดขนาดลง 50%)

อุปกรณ์ RF:

เครื่องขยายกำลังสถานีฐาน 5G (PA GaN-on-SiC รองรับความถี่ mmWave)

เรดาร์ทางทหาร (GaN ให้ความหนาแน่นพลังงานมากกว่า GaAs ถึง 5 เท่า)

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์:

หลอด UV LED (วัสดุ AlGaN ที่ใช้ในการฆ่าเชื้อและตรวจจับคุณภาพน้ำ)

สถานะอุตสาหกรรมและแนวโน้มในอนาคต

SiC ครองตลาดพลังงานสูง โดยมีโมดูลเกรดยานยนต์อยู่ในระหว่างการผลิตจำนวนมาก แม้ว่าต้นทุนจะยังคงเป็นอุปสรรคก็ตาม

GaN กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (การชาร์จเร็ว) และแอปพลิเคชัน RF โดยเปลี่ยนผ่านไปสู่เวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว

วัสดุใหม่ที่เกิดขึ้น เช่น แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃, แบนด์แก๊ป 4.8eV) และเพชร (5.5eV) อาจก่อตัวเป็นสารกึ่งตัวนำ "รุ่นที่สี่" ซึ่งจะผลักดันขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้เกิน 20kV

การอยู่ร่วมกันและการทำงานร่วมกันของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การเติมเต็ม ไม่ใช่การแทนที่:

ซิลิกอนยังคงครองตลาดชิปตรรกะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (95% ของตลาดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก)

GaAs และ InP มีความเชี่ยวชาญในด้านความถี่สูงและออปโตอิเล็กทรอนิกส์

SiC/GaN ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในด้านพลังงานและการใช้งานทางอุตสาหกรรม

ตัวอย่างการบูรณาการเทคโนโลยี:

GaN-on-Si: รวม GaN เข้ากับซับสเตรตซิลิกอนต้นทุนต่ำสำหรับการชาร์จด่วนและการใช้งาน RF

โมดูลไฮบริด SiC-IGBT: ปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงกริด

แนวโน้มในอนาคต:

การบูรณาการที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน: การรวมวัสดุ (เช่น Si + GaN) ไว้บนชิปตัวเดียวเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน

วัสดุแบนด์แก๊ปกว้างพิเศษ (เช่น Ga₂O₃ เพชร) อาจทำให้สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าสูงพิเศษ (>20kV) และแอปพลิเคชันการประมวลผลควอนตัมได้

การผลิตที่เกี่ยวข้อง

เวเฟอร์เอพิแทกเซียลเลเซอร์ GaAs ขนาด 4 นิ้ว 6 นิ้ว

แผ่นรองพื้น SIC คาร์ไบด์ซิลิกอนขนาด 12 นิ้ว เกรดไพรม์ เส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. ขนาดใหญ่ 4H-N เหมาะสำหรับการกระจายความร้อนของอุปกรณ์กำลังสูง