Основной список электронных материалов

1 Введение

Электронные материалы играют чрезвычайно важную роль в быстро развивающемся ландшафте современной электроники. Они являются фундаментальными строительными блоками, которые лежат в основе функциональности и производительности огромного количества электронных устройств, начиная от вездесущих смартфонов и ноутбуков и заканчивая сложнейшим аэрокосмическим и медицинским оборудованием. Эти материалы определяют электрические, тепловые, механические и оптические свойства устройств, тем самым диктуя их возможности и ограничения.

Разработка и инновации электронных материалов стали движущей силой непрерывного прогресса электронной промышленности. В связи с постоянно растущим спросом на более компактные, быстрые, энергоэффективные и высоконадежные электронные изделия поиск и использование передовых электронных материалов стал как никогда актуальным. В следующих разделах мы приступим к углубленному изучению нескольких ключевых электронных материалов, включая кремний, карбид кремния, германий, соединения галлия, материалы на основе углерода, проводящие и изолирующие материалы, а также магнитные материалы. Понимание их уникальных свойств, производственных процессов и разнообразных областей применения позволит нам получить полное представление о значении и потенциале этих материалов в формировании будущего электроники.

2 Кремний и родственные материалы

Кремний (Si), атомный номер 14, - это твердый и хрупкий кристаллический, квазиметаллический и полупроводниковый материал, имеющий как аморфную, так и кристаллическую формы и в изобилии встречающийся в земной коре. Кремний имеет четыре валентных электрона во внешнем слое атома и химически относительно стабилен, что затрудняет его реакцию с другими веществами при комнатной температуре. Как полупроводниковый материал, электропроводность кремния увеличивается с повышением температуры, поэтому он широко используется в различных электронных устройствах.

При добыче и производстве кремния аморфный кремний обычно получают путем восстановления диоксида кремния магнием. Кристаллический кремний, напротив, получают в электропечи путем восстановления диоксида кремния углеродом. Высокочистый полупроводниковый кремний может быть получен путем водородного восстановления хлорида кремния. Монокристаллический кремний обычно получают методом Чохральского или зонной плавкой (метод FZ), а поликристаллический кремний выращивают методом направленного затвердевания.

Кремний находит широкое применение в электронной промышленности, особенно в качестве подложки для чипов в интегральных схемах, где он является идеальным материалом для производства транзисторов. Кроме того, монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и тонкие кремниевые пленки широко используются в солнечных батареях. В области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и датчиков кремний используется для производства акселерометров, гироскопов и датчиков давления. Кремний также используется в силовой электронике для производства силовых полупроводниковых приборов, таких как MOSFET (полевые транзисторы на основе оксида металла) и IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). В области оптоэлектроники кремниевые фотодиоды широко используются в системах оптической связи.

Преимущества кремния заключаются в его богатых запасах, устойчивом использовании, контролируемой чистоте и низкой стоимости, однако есть и недостатки, такие как плохие высокотемпературные характеристики и узкая полоса пропускания, что ограничивает его применение в высокоскоростных и высокочастотных приложениях.

Подробнее: Основные электронные материалы: Часть 1 - Кремний

Рис.1 Продукты из кремния

3 Карбид кремния (SiC)

Карбид кремния (SiC) - широкополосный полупроводниковый материал с высокой твердостью, хорошей теплопроводностью, высокой температурой и коррозионной стойкостью. Его химическая формула - SiC, и существуют различные кристаллические структуры, наиболее распространенные - α-SiC и β-SiC. Промышленно производимый карбид кремния имеет разные цвета из-за различных примесей. С помощью методов легирования можно изменять структуру его энергетических уровней и тем самым регулировать его электронные и другие физические свойства.

Основные процессы производства карбида кремния включают плавление и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). При плавлении карбид кремния образуется путем смешивания и расплавления кремния и графита при высоких температурах, а затем их охлаждения. Химическое осаждение из паровой фазы наносит SiC на поверхность подложки в результате газофазной химической реакции и обычно используется для получения высококачественных тонкопленочных материалов.

Карбид кремния используется в самых разных областях. В силовой электронике SiC используется в устройствах преобразования энергии для повышения эффективности электромобилей и систем возобновляемых источников энергии. В высокотемпературных и высокочастотных устройствах SiC подходит для базовых станций 5G и военной электроники благодаря своей способности поддерживать стабильную работу в экстремальных условиях. Кроме того, SiC играет важную роль в светодиодах и оптоэлектронике: сначала он использовался в синих светодиодах, а теперь применяется для обнаружения света на определенных длинах волн. В области датчиков SiC обычно используется для обнаружения в условиях высоких температур, высокого давления и радиации благодаря своей надежности в экстремальных условиях. Высокая надежность SiC также делает его популярным в аэрокосмической и оборонной промышленности.

Преимуществом карбида кремния является его превосходная работа при высоких температурах, высоком давлении и высокой частоте, что обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии. Однако у него есть и недостатки, такие как высокая стоимость, сложный процесс изготовления, а надежность его устройств все еще нуждается в дальнейшем совершенствовании.

Читайте также: Основные электронные материалы: Часть 2 - Карбид кремния

Рис. 2 Чип из карбида кремния

4 Германий и родственные материалы

Германий (Ge) - полупроводниковый элемент с атомным номером 32 и кристаллической структурой, похожей на структуру алмаза. Плотность германия составляет 5,323 г/см³, температура плавления - 937,4°C, а температура кипения - 2833°C. Как полупроводниковый материал германий имеет зону пропускания 0,66 эВ и демонстрирует хорошую электропроводность при низких температурах, особенно выделяясь в инфракрасных оптоэлектронных свойствах. Однако германий обладает низкой теплопроводностью и высокой степенью хрупкости - свойствами, которые ограничивают его применение в некоторых областях.

В процессе производства германия обычно используется метод прямого волочения (метод Чохральского) и метод вертикального градиентного затвердевания (метод VGF) для получения монокристаллического германия. При прямом методе вытяжки расплавленный германий протягивается через кристаллизационную жидкость для получения монокристаллов, а при методе вертикального градиентного затвердевания рост кристаллов контролируется температурным градиентом, что обеспечивает их качество и чистоту.

Германий находит широкое применение в различных областях. В высокоскоростной электронике германий используется в высокочастотных транзисторах и устройствах беспроводной связи, поскольку он обладает высокой подвижностью электронов, что способствует высокоскоростной обработке сигналов. Кроме того, германий является важным инфракрасным оптическим материалом и широко используется в инфракрасных детекторах и системах визуализации. Благодаря своим хорошим оптоэлектронным свойствам германий также легируется в оптические волокна для улучшения их характеристик и используется в оптической связи, устройствах фотоэлектрического преобразования и солнечных батареях. В интегральных схемах германий сочетается с кремнием, образуя сплавы, которые еще больше повышают производительность. Германий также используется при изготовлении полупроводниковых лазеров, приборов с зарядовой связью (ПЗС) и LIDAR, а также имеет потенциальное применение в квантовых вычислениях и квантовых технологиях.

К основным преимуществам германия относятся высокая подвижность электронов, низкая полоса пропускания, высокий коэффициент пропускания инфракрасного излучения и хорошая совместимость с кремнием, что делает его пригодным для использования в таких областях, как высокоэффективные солнечные батареи и квантовые вычисления. Однако у него есть и существенные недостатки, включая низкую теплопроводность, высокую цену, сложность выращивания кристаллов и ограниченные масштабы промышленного производства, что препятствует широкому распространению германия.

Читать далее: Основные электронные материалы: Часть 3 - Германий

Рис. 3 Германий для производства микросхем

5 Соединения галлия

Оксид галлия (Ga2O3): широкополосный полупроводник с различными кристаллическими структурами, такими как β-Ga2O3, α-Ga2O3 и т. д. Он химически стабилен и может вступать в реакцию с различными веществами. Он может быть приготовлен методом прямого восстановления, методом химического осаждения из паровой фазы и кислотным методом. Широко используется в силовой электронике, оптоэлектронных устройствах (таких как ультрафиолетовые детекторы и светодиоды глубокого ультрафиолета), датчиках и других областях, масштабы рынка быстро растут, а промышленная цепочка постепенно улучшается.

Арсенид галлия (GaAs): черно-серое твердое вещество, температура плавления 1238 ° C, является важным Ⅲ-V сложный полупроводник, с кубической кристаллической структурой, отличные электронные свойства, низкий уровень шума, и высокое напряжение пробоя. Он в основном готовится методом вертикальной градиентной кристаллизации (VGF), жидкостной инкапсулированной прямой вытяжки (LEC), горизонтального Бриджмена (HB), химического осаждения из паровой фазы (CVD) и другими методами. Он широко используется в микроволновой технике, оптоэлектронике, связи, солнечных батареях, микроэлектронике и других областях.

Нитрид галлия (GaN): Кристаллическая структура состоит из решетки атомов галлия и азота, обладает широким прямым зазором, высокой твердостью, высокой теплопроводностью, хорошей химической стабильностью и другими характеристиками. Он выращивается с помощью реакций химического осаждения из паровой фазы, таких как MOCVD и другие методы. Широко используется в новых электронных устройствах (например, мощных высокочастотных устройствах), оптоэлектронных устройствах (например, коротковолновых светоизлучающих устройствах), датчиках и других областях, что способствует соответствующему технологическому прогрессу.

Читать далее: Основные электронные материалы: Часть 4 - Соединения галлия

Рис. 4 Полупроводниковые материалы на основе оксида галлия

6 Материалы на основе углерода

Графен: монослойная структура, в которой атомы углерода гибридизированы с sp², образуя гексагональную ячеистую решетку, обладающую превосходными оптическими, электрическими и механическими свойствами. Благодаря высокой подвижности электронов он находит применение в интегральных схемах, полевых транзисторах, органических светоизлучающих диодах, химических сенсорах и оптоэлектронных устройствах.

Углеродные нанотрубки (УНТ): Упорядоченные атомы углерода в коаксиальную кольцевую трубчатую структуру, обладающую уникальными электрическими свойствами, подразделяются на металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Они могут быть использованы для производства высокоэффективных полевых транзисторов, электронных датчиков, солнечных батарей и т. д. для улучшения характеристик соответствующих устройств.

Фуллерены (Fullerenes): полые молекулы, состоящие из атомов углерода, такие как C60 и т. д., обладающие особыми оптическими, электрическими и химическими свойствами. Они находят широкое применение в конденсаторах, проводящих клеях, оптоэлектронных устройствах и т. д. и могут улучшать проводимость электродов, плотность хранения энергии и т. д.

Подробнее: Основные электронные материалы: Часть 5 - Материалы на основе углерода

Рис. 5 Графен

7 Проводящие и изолирующие материалы

Проводящие материалы: металлы и сплавы благодаря внешнему электрону атома металла легко образуют свободные электроны и являются проводниками, обладая высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью и механической прочностью, например медь, серебро, алюминий и их сплавы широко используются в производстве проводов и кабелей, электронного оборудования и в других областях; проводящая керамика проводит электричество за счет миграции ионов или переноса электронов, обладает высокой температурой и коррозионной стойкостью, например, оксид индия-олова (ITO) для сенсорных экранов и т. д.; проводящее стекло, состоящее из стеклянной подложки и поверхностной проводящей пленки, с прозрачной проводимостью для солнечных батарей, экранов дисплеев и т.д.; сверхпроводящие материалы при определенных температурах с нулевым сопротивлением и полностью антимагнитные. Проводящее стекло состоит из стеклянной подложки и поверхностной проводящей пленки, с прозрачной проводимостью, используется в солнечных батареях, дисплеях и т.д.; сверхпроводящие материалы при определенной температуре имеют нулевое сопротивление и полностью антимагнитны, делятся на низкотемпературную сверхпроводимость, высокотемпературную сверхпроводимость и другие виды сверхпроводимости, широко используются в передаче электроэнергии, медицине, транспорте, информационных технологиях и других областях.

Изоляционные материалы: неорганические изоляционные материалы, такие как стекло, керамика, слюда и т.д., с высоким удельным сопротивлением, хорошей термостойкостью, механической прочностью и химической стабильностью, используются для электрической изоляции, например, стекло для высоковольтных изоляторов, керамика используется для изоляции трансформаторов и т.д.; полимерные изоляционные материалы, такие как ПВХ, полиимид (PI), политетрафторэтилен (PTFE) и т.д., с различными изоляционными свойствами и характеристиками. Они подходят для различного электронного оборудования и условий эксплуатации.

Подробнее: Основные электронные материалы: Часть 6 - Проводящие и изолирующие материалы

Рис. 6 Электронные керамические материалы

8 Магнитные материалы

Твердые магнитные материалы (постоянные магниты): такие как сплавы алнико, титано-кобальтовые сплавы, редкоземельные кобальтовые постоянные магниты и т.д., которые могут сохранять магнетизм в течение длительного времени после намагничивания и имеют высокую коэрцитивную силу, высокую реманентность и высокую магнитную энергию, и используются в электродвигателях, электронных вакуумных устройствах и микроволновых приборах.

Мягкие магнитные материалы: такие как мягкие магниты из кремниевой стали, мягкий магнитный феррит и т.д., низкая коэрцитивная сила, высокая проницаемость, легко намагничиваются и размагничиваются, широко используются в трансформаторах, двигателях, индукторах, электромагнитном экранировании и другом электронном оборудовании, могут уменьшить потери энергии, повысить эффективность.

Магнитные сплавы: состоят из железа и других металлических элементов, делятся на мягкие магнитные сплавы и твердые магнитные сплавы, которые широко используются в области электроники, связи, энергетики и т.д., например, неодим-железо-бор (NdFeB) используется в электродвигателях и т.д., а алюминиево-никель-кобальтовые сплавы используются в высокотемпературных специальных средах. Свойства магнитных материалов, такие как проницаемость, плотность потока насыщения, коэрцитивная сила и т.д., имеют решающее значение для работы электронных устройств и играют ключевую роль в источниках питания, трансформаторах, накопителях данных, двигателях, датчиках, беспроводной связи и другом оборудовании.

Подробнее: Основные электронные материалы: Часть 7 - Магнитные материалы

Рис. 7 Магниты NdFeB

9 Заключение

В заключение следует отметить, что электронные материалы являются основой современной электроники. Кремний занимает ведущее место, однако появляются такие материалы, как карбид кремния и соединения галлия. Новые возможности открывают материалы на основе углерода. Проводящие, изолирующие и магнитные материалы также играют важную роль. Тенденции развития направлены на повышение производительности и надежности. Предпринимаются усилия по совершенствованию таких материалов, как карбид кремния и нитрид галлия. Исследования материалов на основе углерода сосредоточены на синтезе и интеграции. Непрерывные исследования и инновации имеют решающее значение. Они удовлетворяют существующие потребности и позволяют создавать новые технологии. Изучение и оптимизация материалов необходимы для прогресса электронной промышленности.

Stanford Advanced Materials (SAM) - ключевой поставщик высококачественных электронных материалов, обеспечивающий надежные решения для этих важнейших приложений.