Ny materialteknik förbättrar halvledarprestanda

Typer och egenskaper hos nya material
Kiselkarbid (SiC)
Kiselkarbid, som ett halvledarmaterial med brett bandgap, har en bandgapbredd på cirka 3,3 elektronvolt (eV), mycket högre än 1,1 elektronvolt hos traditionellt kisel (Si). Detta gör att kiselkarbid har högre värmeledningsförmåga och strömförande kapacitet, vilket gör den särskilt lämplig för användningsscenarier med hög temperatur, högt tryck och hög frekvens.

Inom kraftelektronik kan SiC-enheter effektivt förbättra systemets effektivitet och minska energiförlusten. SiC MOSFET har till exempel använts i stor utsträckning inom energihantering och motordrift av elfordon, med dess låga motstånd och höga kopplingsfrekvens som avsevärt förbättrar elfordons räckvidd.

Galliumnitrid (GaN)
Galliumnitrid är ett annat allmänt studerat halvledarmaterial med brett bandgap, med en bandgapbredd på cirka 3,4 elektronvolt. GaN har utmärkt högfrekvent prestanda och låg ledningsförlust, vilket gör den lämplig för högfrekventa och kraftfulla applikationer. GaN-enheter har visat fördelar jämfört med traditionella silikonenheter i RF-effektförstärkare och switchande strömförsörjning.

Speciellt i 5G-kommunikationsutrustning kan GaN-material stödja högre driftfrekvenser och större uteffekt, och blir ett av de viktiga materialen för att främja 5G-infrastrukturkonstruktion. Dessutom har den höga effektiviteten hos GaN också främjat utvecklingen av trådlös laddningsteknik, vilket gör det till ett potentiellt material för framtida kraftöverföring.

2D-material
På senare år har tvådimensionella material som grafen och övergångsmetalldisulfider (som MoS ₂) väckt stor uppmärksamhet inom halvledarområdet. Grafen har extremt hög elektronrörlighet och värmeledningsförmåga, vilket gör det till ett idealiskt material för högfrekventa och höghastighets elektroniska enheter.

Även om tvådimensionella material fortfarande står inför utmaningar i tillverkningsprocesser, kan deras potential i flexibla elektroniska enheter med låg effekt inte ignoreras. Till exempel anses MoS₂-baserade fälteffekttransistorer (FET) vara en nyckelkomponent i framtida flexibla elektroniska enheter, som kan uppnå lättviktsdesign samtidigt som hög prestanda bibehålls.

Tillämpning av ny materialteknik
elfordon
Populariseringen av elfordon har ställt högre krav på halvledarmaterial. Tillämpningen av SiC- och GaN-material gör elfordons kraftsystem effektivare. Kiselkarbiddioder och MOSFET:er kan motstå högre spänningar och temperaturer och därigenom minska förlusterna i laddning, energiåtervinning och kraftöverföring.

Till exempel har många elfordonstillverkare börjat använda SiC-teknik för att ersätta traditionella kiselenheter och förbättra energiomvandlingseffektiviteten hos elfordon. Detta förbättrar inte bara fordonets uthållighet, utan minskar också batteriets laddningstid.

5G kommunikation
Den snabba utvecklingen av 5G-teknik har drivit på efterfrågan på högpresterande halvledarmaterial. Galliumnitridenheter har blivit det föredragna materialet för 5G-basstationer och terminalutrustning på grund av deras utmärkta högfrekventa prestanda. GaNs höga effektegenskaper gör att den kan hantera större datatrafik, vilket ger högre överföringshastigheter och lägre latens för 5G-nätverk.

Samtidigt, med den utbredda spridningen av 5G-enheter, utvecklas också relaterade RF- och mikrovågsteknologier ständigt. Användningen av nya material kommer att hjälpa till i storskalig konstruktion av 5G-basstationer, vilket förbättrar den övergripande stabiliteten och täckningen av nätverket.

förnybar energi
Ny materialteknik spelar också en viktig roll inom området förnybar energi. Kraftelektroniska enheter baserade på kiselkarbid används ofta i solväxelriktare och vindkraftsgenereringssystem, vilket förbättrar energiomvandlingens effektivitet.

Genom att använda SiC-teknik kan solväxelriktare effektivare omvandla likström till växelström, vilket avsevärt minskar energiförlusterna och främjar en bredare användning av förnybar energi. Dessutom har galliumnitridteknologin också visat sina fördelar i batterihanteringssystem, vilket förbättrar den totala energieffektiviteten.

Den framtida utvecklingstrenden av ny materialteknik
Kontinuerlig materialinnovation
Med den kontinuerliga utvecklingen av vetenskap och teknik kommer innovationen inom halvledarmaterial att fortsätta. I framtiden kommer fler nya material att utvecklas med överlägsen elektrisk prestanda och termisk hanteringskapacitet. Dessa nya material kommer att möta efterfrågan på enheter med högre prestanda, särskilt i applikationer med hög effekt, hög frekvens och extrema miljöer.

Förbättring av tillverkningsprocessen
Tillämpningen av nya material ställer också högre krav på tillverkningsprocesser. Med utvecklingen av framväxande tillverkningsteknologier som 3D-utskrift och nanoteknik kommer produktionsprocessen av halvledarenheter att bli mer förfinad och intelligent. Detta kommer att främja snabb kommersialisering och tillämpning av nya material.

Miljöskydd och hållbar utveckling
Den ökande miljömedvetenheten globalt har satt press på halvledarindustrin att genomgå transformation. I framtiden kommer utvecklingen av miljövänliga halvledarmaterial att bli en trend i branschen. Till exempel bidrar miljövänliga material som ersätter skadliga ämnen inte bara till att förbättra enhetens prestanda, utan också i linje med konceptet hållbar utveckling.