Mi jöhet a Gallium-nitrid után? – Csodafélvezetők új generációi

Szilícium-karbid, gallium-nitrid napjaink sztárjai a félvezetők, illetve a nagyfeszültségű teljesítmény áramkörök ligájában – mint mindent sztár előbb-utóbb ők is „hétköznapivá” válnak. Mivel szaklap vagyunk és újdonságokat kell prezentálnunk kifent olvasóinknak, így ezen a téren is kutattunk, vajon mit hoz a jövő? Aki keres az talál, többesélyes történet, hát majd meglátjuk, de bemutatjuk a mezőnyt!

A következő generációs félvezetők kutatása folyamatosan zajlik, hiszen az elektronikai eszközök egyre nagyobb teljesítményt, hatékonyságot és kompakt kialakítást igényelnek. Hogy viszonyítási alapunk legyen kezdjük a két jelenlegi listavezetővel:

A szilícium-karbid (SiC) széles sávszélességű félvezető (bandgap: 3,26 eV), 10-szer nagyobb elektromos térerősséget képes elviselni, mint a szilícium, ami azt jelenti, hogy ugyanazon méretben drasztikusan nagyobb feszültséget tud kezelni, mint félvezető elődei, emiatt különösen előnyös villamos hajtásláncok invertereiben, ipari motorvezérlőkben és megújuló energiaforrásokhoz kapcsolódó hálózatokban (pl. napelemes rendszerek inverterei), alacsony vezetési vesztesége az autók hatótávolságára van a felhasználó számára igazi látható hatással, nagyobb hőállósága, kisebb hűtési igénye kisebb hűtórendszereket igényel, így a szerkezet tömege kisebb, szélsőséges körülmények közötti strapabírása ideálissá teszi zord körülmények közötti alkalmazásokhoz.

szilícium-karbid

gallium-nitrid

A „bandgap” magyar megfelelője a tiltott sáv vagy tiltott sávszélesség, amely a félvezető anyag elektromos tulajdonságait meghatározó energia különbség a valencia sáv (ahol az elektronok alapállapotban helyezkednek el) és a vezetési sáv (ahol az elektronoknak már elég energiájuk van az áramláshoz) között. Minél nagyobb a különbség a két sáv között, az elektronoknak annál nagyobb „szakadékot” kell átugraniuk, és annál erősebbek adott anyag szigetelő tulajdonságai. Ha azt mondjuk, hogy a szilícium-karbid (SiC) bandgapja 3,26 eV, az azt jelenti, hogy egy elektronnak legalább 3,26 elektronvolt (eV) energiára van szüksége ahhoz, hogy átugorjon a valencia sávról a vezetési sávba, és így az anyag elektromos áramot tudjon vezetni. (a Szerk.)

A gallium-nitrid (GaN) szintén széles sávszélességű (bandgap: 3,4 eV) félvezető, amely számos előnyt kínál a hagyományos szilícium (Si) és még a szilícium-karbid (SiC) alapú eszközökkel szemben is. Elektronmobilitása jóval nagyobb, mint a szilíciumé vagy a SiC-é, így a kapcsolási sebessége is sokkal magasabb. Ez különösen fontos a RF (rádiófrekvenciás) eszközökben, mikrohullámú rendszerekben és a telekommunikáció 5G áramköreiben, ahol a gyors kapcsolási sebesség alacsonyabb energiaveszteséget és kisebb méretet tesz lehetővé. A GaN nagyobb hőállósága és jobb teljesítménysűrűsége lehetővé teszi a kompaktabb, hatékonyabb eszközök fejlesztését, így a laptopok és okostelefonok gyorstöltői sokkal kisebbek és könnyebbek lettek, mint a korábbi szilíciumalapú modellek. A GaN a legjobb választás a nagyfrekvenciás, gyors kapcsolási sebességet igénylő rendszerekben, például 5G antennákban, radarokban, szupereffektív töltőkben és vezeték nélküli energiaátvitelben.

És a lehetséges utódok:

Az alumínium-nitrid (AlN) egy ultra-széles sávszélességű félvezető (bandgap: 6,2 eV), ami messze meghaladja mind a GaN (3,4 eV), mind a SiC (3,26 eV) értékeit. Ideális lehet az ultramagas feszültségű (>10 kV) alkalmazásokban. az AlN különösen érdekes lehet az űrtechnológiában, nagy teljesítményű radarokban és katonai alkalmazásokban, ahol az extrém hőmérsékletek és sugárzási körülmények miatt más félvezetők gyorsan tönkremennének. Bár az AlN még nem érte el a tömeggyártás fázisát, a kutatás és fejlesztés ezen a területen gyorsan halad.

alumínium-nitrid

gallium-oxid

A gallium-oxid (Ga₂O₃) egy ultra-széles sávszélességű félvezető (bandgap: 4,8 eV), különösen alkalmas a nagyfeszültségű egyenirányítókhoz (10 kV felett), energiaátalakítókhoz és elektromos hálózati rendszerekhez. A gallium-oxid olcsóbb és könnyebben előállítható nagy méretű kristályokban, mint a jelenleg használt szilícium-karbid és gallium-nitrid. Ez azt jelenti, hogy a gyártók alacsonyabb költséggel képesek nagyfeszültségű kapcsolóeszközöket. A gallium-oxid tranzisztorok potenciálisan leválthatják a szilíciumalapú nagyfeszültségű teljesítményelektronikát az elektromos hálózatokban, nagy teljesítményű egyenáramú távvezetékekben (HVDC) és ipari inverterekben. Jelenleg a gallium-oxid tranzisztorok már léteznek, de az egyik legnagyobb kihívásuk a hővezetés, amely jelentősen rosszabb, mint a cikkben sorolt többi félvezetőé. Ha sikerül megfelelő hőkezelési megoldásokat találni, a gallium-oxid könnyen jelentheti a következő nagy áttörést a nagyfeszültségű energiaátalakítás területén.

Gyémántalapú félvezetők az extrém teljesítmények bajnokai

A gyémánt egy különösen ígéretes anyag a félvezetőipar számára, hiszen rendkívül széles sávszélességgel (5,5 eV) és páratlan hővezető képességgel (2000 W/mK) rendelkezik. Ennek köszönhetően a gyémántalapú félvezetők extrém magas teljesítményű alkalmazásokhoz ideálisak, ahol más anyagok gyorsan feladnák. A gyémánt legnagyobb előnye, hogy kiváló hővezető, így lehetővé teszi, hogy a teljesítményelektronikai eszközök nagyobb teljesítményt nyújtsanak anélkül, hogy túlmelegednének. Ez különösen fontos a katonai és űrtechnológiai alkalmazásokban, valamint a nukleáris szegmensben, ahol az extrém környezeti feltételek miatt rendkívül megbízható eszközökre van szükség.

Bár a gyémántot nehéz és drága félvezetőként mesterségesen előállítani, ha ezt sikerül megoldani akkor hosszú távon akár a legnagyobb teljesítményű energiaátalakító rendszerekben is elterjedhet.

Kétdimenziós félvezetők, az ultravékony tranzisztorok új generációja

A molibdén-diszulfid (MoS₂) egy kétdimenziós (2D) félvezető anyag, amely különleges elektronikai és mechanikai tulajdonságai miatt egyre nagyobb figyelmet kap a nanoelektronikában és az új generációs tranzisztorok fejlesztésében. A MoS₂ bandgapje 1,2–1,9 eV között változik attól függően, hogy hány rétegben van jelen. Az egyrétegű (monorétegű) MoS₂ körülbelül 1,8–1,9 eV direkt bandgappel rendelkezik, ami különösen alkalmassá teszi optikai és tranzisztoros alkalmazásokra, míg többrétegű formában bandgapje körülbelül 1,2 eV, amely inkább elektronikai célokra használható. Ez a bandgap érték köztes helyet foglal el a szilícium (1,1 eV) és a gallium-nitrid (3,4 eV) között, ami azt jelenti, hogy a MoS₂ alkalmas lehet rugalmas, flexibilis elektronikai eszközökben, alacsony fogyasztású tranzisztorokban és optoelektronikai eszközökben.

A MoS₂ egyik különlegessége, hogy kétdimenziós szerkezetű, vagyis egyetlen atomréteg vastagságú is lehet; ultravékony, rugalmas és átlátszó elektronikai eszközök fejlesztését teszi lehetővé. A hagyományos szilíciumhoz képest lehetőséget kínál kisebb méretű és energiahatékonyabb tranzisztorok gyártására, miközben a bandgapje miatt kiválóan alkalmas optikai érzékelők, LED-ek és napelemek fejlesztésére is. Mechanikai rugalmasságának köszönhetően pedig ideális lehet hajlítható kijelzőkben, okosruházatban és összehajtható elektronikai eszközökben

Perovszkit félvezetők, az optoelektronika új reménységei

A perovszkit félvezetők (perovszkit anyagcsalád) esetében a bandgap értéke anyagösszetételtől függően változik, de tipikusan körülbelül 1,5 eV-re tehető. Például a legismertebb metil-ammonium ólom-jodid (CH₃NH₃PbI₃) perovszkit körülbelül 1,55 eV-es bandgapgal rendelkezik, ami ideálissá teszi a napelemek és más optoelektronikai alkalmazások számára. Ez a viszonylag közepes bandgap lehetővé teszi, hogy az anyag hatékonyan nyelje el a napfényt, miközben megfelelő energiahatékonyságot és konverziós arányt biztosít. A perovszkit félvezetők bandgapje rugalmasan állítható, ezért alkalmazkodhat a különböző optoelektronikai igényekhez, például napelemekhez, LED-ekhez, kijelzőkhöz és érzékelőkhöz. Ez az egyik legnagyobb előnyük a hagyományos félvezetőkhöz képest, mivel a szerkezetük módosításával testre szabható az energiaszintjük, így széles körben alkalmazhatók a jövő elektronikájában.

A perovszkit elnevezés eredetileg egy természetben előforduló ásványra, a kalcium-titanátra (CaTiO₃) utalt, amelyet 1839-ben Gustav Rose orosz mineralógus fedezett fel az Ural-hegységben. Az ásványt Lev Perovszkij orosz államférfiról és mineralógusról nevezték el, aki jelentős támogatója volt a természettudományoknak és ásványtani kutatásoknak. Ma már a perovszkit elnevezés nemcsak az eredeti ásványra, hanem egy szélesebb anyagcsaládra is vonatkozik, amely ugyanilyen kristályszerkezettel rendelkezik. A perovszkit szerkezetű anyagok rendkívül sokoldalúak, és kiemelkedő tulajdonságaik révén számos technológiai alkalmazásban használhatók, például félvezetőként, napelemekben, LED-ekben, fotodetektorokban és más optoelektronikai eszközökben. Az egyik legintenzívebben kutatott perovszkit félvezető a már említett metil-ammonium ólom-jodid (CH₃NH₃PbI₃), amely kiváló fényelnyelő tulajdonságokkal rendelkezik, így különösen ígéretes anyag a nagy hatékonyságú napelemek és egyéb fotonikai alkalmazások számára.

Forrás: hu.jucosfirebrick.com, navitassemi.com, maruwa-g.com, scitechdiary.com, eepower.com, perovskite-info.com