Составные полупроводники - это полупроводники, содержащие два или более элемента. Эти полупроводниковые кристаллы могут быть выращены с различными константами решетки и энергиями запрещенной зоны, которые подходят для разработки новых оптоэлектронных и электронных устройств. В этой статье рассматриваются составные полупроводники и их роль в оптимизации энергоэффективности устройств.
Важность сложных полупроводников
Большинство сложных полупроводников содержат элементы из III и V групп периодической таблицы Менделеева. Арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), нитрид индия (InN) и фосфид индия (InP) являются распространенными полупроводниковыми соединениями III-V типа. InP и GaAs в основном используются в оптических и высокочастотных устройствах.
Другие составные полупроводники, такие как теллурид кадмия (CdTe), селенид кадмия (CdSe) и селенид цинка (ZnSe), обычно состоят из элементов II и VI групп. Кроме того, различные элементы из одной и той же группы, такие как группа IV, также могут быть использованы для синтеза сложных полупроводников, таких как карбид кремния (SiC) и кремнийгерманий (SiGe).
В прошлом составные полупроводники использовались в коммерческих целях не так широко, как кремниевые полупроводники, поскольку выращивать эти кристаллы было сложнее по сравнению с кремнием. Кроме того, производство составных полупроводников было дорогостоящим, а кристаллы имели большое количество дефектов. Составные полупроводники также были более хрупкими, чем одноэлементные полупроводники.
Однако в последние годы стоимость производства составных полупроводников снизилась. Хотя стоимость и сложность производства составных полупроводников по-прежнему выше, чем у традиционных кремниевых полупроводников, фундаментальные свойства материалов составных полупроводников сделали их ключевыми в нескольких областях применения, в частности в сенсорной и оптоэлектронной технике.
Например, составные полупроводники играют решающую роль в оптоэлектронных устройствах, используемых в твердотельном освещении, хранении данных высокой плотности и фотовольтаике, благодаря их структуре с прямой запрещенной зоной и гибкости синтеза структур с регулируемой запрещенной зоной с использованием нескольких составных полупроводников.
Таким образом, составные полупроводники могут быть использованы для создания квантовых структур и гетероструктур, таких как квантовые точки (КТ) и квантовые ямы (КЯ), которые широко используются в оптоэлектронных устройствах, включая полупроводниковые оптические усилители, модуляторы, фотоприемники и лазеры. Другие важные области применения составных полупроводников включают автономные и электрические транспортные средства, радиолокацию, 5G, мобильность, энергетику и новые бизнес-модели.
Pittcon 2023 - Электронная книга "Идеи и инновации"
Pittcon 2023 - Электронная книга "Идеи и инновации в отрасли".
Ознакомьтесь с треками и основными моментами с Pittcon 2023. AZoM подготовил подборку интервью с ключевыми лидерами общественного мнения с шоу.
Скачайте бесплатную копию
Внутренние свойства составных полупроводников, такие как работа при высоких частотах и температуре, более высокая скорость насыщения электронами, эффективное излучение и детектирование света, переменная теплопроводность, пьезорезистивность, пьезоэлектричество и изменение ширины запрещенной зоны, являются ключевыми преимуществами этих полупроводников по сравнению с традиционной кремниевой технологией.
Микромоторы, микроболометры, радиочастотные катушки индуктивности, волноводные переключатели, кантилеверы и микрорезонаторные устройства с возможностью настройки длины волны, такие как фотодиоды, светоизлучающие диоды (LED), лазеры с вертикальным поверхностным излучением (VCSEL), оптические усилители и оптические фильтры, были изготовлены путем микрообработки составных полупроводников.
Составные полупроводники, изготовленные с использованием элементов III и V групп и только элементов IV группы, используются для микросистем благодаря свойствам их материала. Например, полупроводники на основе GaAs широко изучались для изготовления интегрированных датчиков благодаря их высокой пьезоэлектричности и превосходным термоэлектрическим свойствам.
GaAs может соответствовать требованиям по максимальному тепловому сопротивлению, поскольку его теплопроводность значительно ниже, чем у кремния. Аналогичным образом, исключительные болометрические инфракрасные датчики были синтезированы с использованием суспендированных мембран из арсенида алюминия и галлия (AlGaAs) благодаря их широкому энергетическому зазору, высоким коэффициентам Зеебека и пьезоэлектрическим свойствам.
Материалы на основе GaAs также использовались для изготовления самособирающихся трехмерных микро/наноструктур, управляемых деформацией (3D). Материалы на основе InP считаются подходящими для источников света волоконно-оптических систем связи благодаря низкой дисперсии и потерям на длинах волн 1,5 мкм и 1,3 мкм.
Составные полупроводниковые материалы с более широкой запрещенной зоной, такие как SiC и GaN, могут быть использованы для микроэлектромеханических систем (MEMS) в экстремальных условиях. Технология Poly-SiGe была использована для синтеза термоэлементов и болометров с микрообработкой, обладающих превосходными термоэлектрическими свойствами.
Повышение энергоэффективности устройств, использующих сложные полупроводники
Растущее внедрение приложений искусственного интеллекта (ИИ) и Интернета вещей (IoT) и растущая миграция в облако увеличили потребность в повышении энергоэффективности в энергоемкой ИТ-инфраструктуре.
Составные полупроводники, в частности SiC, обладают более высокой энергоэффективностью, чем кремниевые полупроводники, благодаря значительно меньшему обратному заряду и потерям энергии SiC, которые снижают энергию, требуемую на этапах выключения и включения, и увеличивают мощность переключения.
Необходимость в системах охлаждения также отпадает благодаря меньшим потерям тепла, что уменьшает вес и площадь устройства и снижает стоимость инфраструктуры. Кроме того, SiC можно использовать при высоких рабочих температурах благодаря его более широкой полосе пропускания по сравнению с чистым кремнием.
Составные полупроводники с более широкой запрещенной зоной обладают высоким полем электрического пробоя и пониженной чувствительностью к излучению. Высокая теплопроводность SiC позволяет лучше отводить тепло. Таким образом, с использованием SiC можно реализовать форм-факторы, которые меньше, чем у кремния, что приводит к уменьшению размера упаковки и снижению затрат.
В SiC-диодах переходные процессы тока и температуры не влияют на ток и время восстановления, в отличие от кремниевых диодов, где и ток, и время восстановления значительно увеличиваются с повышением температуры. Таким образом, SiC-диоды могут эффективно снижать потери энергии при размещении в антипараллельных кремниевых биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT).
В практических приложениях, таких как гибридные электромобили, замена кремниевых компонентов на SiC-компоненты может повысить эффективность тяги на 10%, что может существенно уменьшить объем теплоотвода.
Аналогичным образом, более быстрые, легкие, компактные, надежные и энергоэффективные силовые электронные компоненты могут быть изготовлены с использованием составных полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как GaN и SiC, вместо кремния.
Подводя итог, можно сказать, что в будущем составные полупроводники будут использоваться более широко благодаря их превосходящим свойствам материалов по сравнению с кремниевыми полупроводниками и их роли в оптимизации энергоэффективности устройств.
