የመጀመሪያው ትውልድ ሁለተኛ ትውልድ የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች

ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች በሦስት ትራንስፎርሜሽን ትውልዶች ውስጥ ተሻሽለዋል፡

የመጀመሪያው ትውልድ (ሲ/ጂ) የዘመናዊ ኤሌክትሮኒክስ መሠረቶችን ጥሏል፣

ሁለተኛው ትውልድ (GaAs/InP) የመረጃ አብዮቱን ለማብቃት የኦፕቶኤሌክትሮኒክ እና ከፍተኛ ድግግሞሽ እንቅፋቶችን አቋርጦ

3ኛው ትውልድ (SiC/GaN) አሁን የኃይል እና ከፍተኛ የአካባቢ ችግሮችን በመፍታት የካርቦን ገለልተኛነትን እና የ6ጂ ዘመንን ያስችላል።

ይህ እድገት ከአለዋዋጭነት ወደ በቁሳዊ ሳይንስ ልዩ ሙያ የሚደረግ የፓራዲሚክስ ለውጥ ያሳያል።

1. የመጀመሪያው ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች፡ ሲሊከን (ሲ) እና ጀርማኒየም (ጂ)

ታሪካዊ ዳራ

እ.ኤ.አ. በ1947 ቤል ላብስ የጀርማኒየም ትራንዚስተርን ፈለሰፈ፣ ይህም የሴሚኮንዳክተር ዘመን መባቻን አመልክቷል። በ1950ዎቹ ሲሊከን በተረጋጋ የኦክሳይድ ንብርብር (SiO₂) እና በተትረፈረፈ የተፈጥሮ ክምችት ምክንያት ጀርማኒየምን ቀስ በቀስ የተቀናጁ ወረዳዎች (ICs) መሠረት አድርጎ ተክቷል።

የቁሳቁስ ባህሪያት

Ⅰባንድጋፕ፡

ጀርማኒየም፡ 0.67eV (ጠባብ ባንድ ክፍተት፣ ለማፍሰስ ጅረት የተጋለጠ፣ ደካማ ከፍተኛ የሙቀት መጠን አፈጻጸም)።

ሲሊከን፡ 1.12eV (ቀጥተኛ ያልሆነ ባንድ ክፍተት፣ ለሎጂክ ሰርክዩቶች ተስማሚ ቢሆንም ለብርሃን ልቀት የማይመች)።

Ⅱ፣የሲሊኮን ጥቅሞች:

በተፈጥሮ ከፍተኛ ጥራት ያለው ኦክሳይድ (SiO₂) ይፈጥራል፣ ይህም የMOSFET ምርትን ያስችላል።

ዝቅተኛ ዋጋ ያለው እና ብዙ አፈር ያለው (ከቅርፊት ስብጥር 28% ገደማ)።

Ⅲ፣ገደቦች፡

ዝቅተኛ የኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት (1500 ሴ.ሜ²/(V·s) ብቻ)፣ ከፍተኛ ድግግሞሽ አፈፃፀምን የሚገድብ።

ደካማ የቮልቴጅ/የሙቀት መጠን መቻቻል (ከፍተኛ የአሠራር ሙቀት ~150°ሴ)።

ቁልፍ አፕሊኬሽኖች

Ⅰ፣የተዋሃዱ ሰርኩዊቶች (ICs)፡

ሲፒዩዎች፣ የማህደረ ትውስታ ቺፖች (ለምሳሌ፣ DRAM፣ NAND) ከፍተኛ የውህደት ጥግግት ለማግኘት በሲሊኮን ላይ ይመረኮዛሉ።

ለምሳሌ፡ የመጀመሪያው የንግድ ማይክሮፕሮሰሰር የሆነው የኢንቴል 4004 (1971) 10μm የሲሊኮን ቴክኖሎጂን ተጠቅሟል።

Ⅱ፣የኃይል መሳሪያዎች፡

ቀደምት ታይሪስተሮች እና ዝቅተኛ ቮልቴጅ ያላቸው MOSFETዎች (ለምሳሌ፣ የፒሲ የኃይል አቅርቦቶች) በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ነበሩ።

ተግዳሮቶች እና ጊዜ ያለፈባቸው

ጀርማኒየም በማፍሰስ እና በሙቀት አለመረጋጋት ምክንያት ተቋርጧል። ሆኖም፣ ሲሊከን በኦፕቶኤሌክትሮኒክስ እና በከፍተኛ ኃይል አፕሊኬሽኖች ላይ ያለው ውስንነት የቀጣይ ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮችን እድገት አነሳስቷል።

2ኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች፡ ጋሊየም አርሴናይድ (GaAs) እና ኢንዲየም ፎስፌድ (InP)

የልማት ዳራ

በ1970ዎቹ-1980ዎቹ ዓመታት፣ እንደ ሞባይል ኮሙኒኬሽን፣ የኦፕቲካል ፋይበር ኔትወርኮች እና የሳተላይት ቴክኖሎጂ ያሉ አዳዲስ ዘርፎች ከፍተኛ ድግግሞሽ እና ቀልጣፋ የኦፕቶኤሌክትሮኒክ ቁሶችን ለማግኘት ከፍተኛ ፍላጎት ፈጥረዋል። ይህም እንደ GaAs እና InP ያሉ ቀጥተኛ የባንድ ክፍተት ሴሚኮንዳክተሮችን እድገት አባብሷል።

የቁሳቁስ ባህሪያት

የባንድጋፕ እና የኦፕቶኤሌክትሮኒክ አፈጻጸም፡

GaAs: 1.42eV (ቀጥታ ባንድ ክፍተት፣ የብርሃን ልቀት ያስችላል - ለሌዘር/ኤልኢዲዎች ተስማሚ)።

ኢንፒ፡ 1.34eV (ለረጅም ሞገድ ርዝመት አፕሊኬሽኖች፣ ለምሳሌ፣ 1550nm ፋይበር-ኦፕቲክ ግንኙነቶች የተሻለ ተስማሚ)።

የኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት፡

GaAs 8500 ሴ.ሜ²/(V·s) ያሳካል፣ ይህም ከሲሊኮን (1500 ሴ.ሜ²/(V·s)) እጅግ የላቀ ሲሆን ይህም ለGHz-ክልል ሲግናል ሂደት ምቹ ያደርገዋል።

ጉዳቶች

lየተበላሹ ንጣፎች፡ ከሲሊኮን ለማምረት አስቸጋሪ ነው፤ የGaAs ንጣፎች ዋጋ 10x ተጨማሪ ነው።

lምንም አይነት ኦክሳይድ የለም፡- ከሲሊኮን SiO₂ በተለየ መልኩ GaAs/InP የተረጋጋ ኦክሳይድ የላቸውም፣ ይህም ከፍተኛ ጥግግት ያለው የIC ምርትን ያደናቅፋል።

ቁልፍ አፕሊኬሽኖች

lየ RF የፊት-መጨረሻዎች፡

የሞባይል የኃይል ማጉያዎች (PAs)፣ የሳተላይት ማስተላለፊያዎች (ለምሳሌ፣ በGaAs ላይ የተመሰረቱ HEMT ትራንዚስተሮች)።

lኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፡

የሌዘር ዳዮዶች (ሲዲ/ዲቪዲ ድራይቮች)፣ የኤልኢዲዎች (ቀይ/ኢንፍራሬድ)፣ የፋይበር-ኦፕቲክ ሞጁሎች (ኢንፒ ሌዘሮች)።

lየጠፈር የፀሐይ ህዋሶች፡

የGaAs ሴሎች 30% ቅልጥፍናን ያገኛሉ (ከሲሊኮን ~ 20% ጋር ሲነጻጸር)፣ ይህም ለሳተላይቶች ወሳኝ ነው። 

lየቴክኖሎጂ መዘናጋት

ከፍተኛ ወጪዎች GaAs/InPን ልዩ ለሆኑ ከፍተኛ ደረጃ አፕሊኬሽኖች ብቻ ይገድባሉ፣ ይህም የሲሊኮንን የበላይነት በሎጂክ ቺፖች ውስጥ እንዳያፈናቅሉ ይከለክላቸዋል።

የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች (ሰፊ-ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተሮች)፡ ሲሊከን ካርቦይድ (ሲሲ) እና ጋሊየም ናይትሬድ (ጋኤን)

የቴክኖሎጂ አንቀሳቃሾች

የኢነርጂ አብዮት፡- የኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች እና የታዳሽ የኃይል ፍርግርግ ውህደት የበለጠ ቀልጣፋ የኃይል መሳሪያዎችን ይፈልጋሉ።

ከፍተኛ የድግግሞሽ ፍላጎቶች፡ የ5ጂ የመገናኛ እና የራዳር ስርዓቶች ከፍተኛ የድግግሞሽ እና የኃይል ጥግግት ያስፈልጋቸዋል።

እጅግ በጣም ከባድ አካባቢዎች፡- የአየር ወለድ እና የኢንዱስትሪ ሞተር አፕሊኬሽኖች ከ200°ሴ በላይ የሙቀት መጠንን መቋቋም የሚችሉ ቁሳቁሶች ያስፈልጋቸዋል።

የቁሳቁስ ባህሪያት

ሰፊ የባንድ ክፍተት ጥቅሞች:

lሲሲ፡ የ3.26eV ባንድ ክፍተት፣ የኤሌክትሪክ መስክ ጥንካሬ 10x የሲሊኮን ሲሆን ከ10kV በላይ የሆኑ ቮልቴጆችን መቋቋም የሚችል።

lGaN፡ የ3.4eV ባንድ ክፍተት፣ የኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት 2200 ሴ.ሜ²/(V·s) ሲሆን በከፍተኛ ድግግሞሽ አፈጻጸም የላቀ ነው።

የሙቀት አስተዳደር፡

የሲሲ የሙቀት አማቂነት መጠን 4.9 ዋት/(ሴሜ·ኬ) ይደርሳል፣ ይህም ከሲሊኮን በሦስት እጥፍ ይበልጣል፣ ይህም ለከፍተኛ ኃይል አፕሊኬሽኖች ተስማሚ ያደርገዋል።

የቁሳቁስ ተግዳሮቶች

ሲሲ፡- ቀስ ብሎ የሚያድግ ነጠላ-ክሪስታል እድገት ከ2000°ሴ በላይ የሆነ የሙቀት መጠን ያስፈልገዋል፣ ይህም የዋፈር ጉድለቶችን እና ከፍተኛ ወጪን ያስከትላል (የ6 ኢንች ሲሲ ዋፈር ከሲሊኮን 20× የበለጠ ውድ ነው)።

GaN፡- ተፈጥሯዊ ንጣፍ የለውም፣ ብዙውን ጊዜ በሰንፔር፣ በሲሲ ወይም በሲሊኮን ንጣፎች ላይ ሄትሮኢፒታክሲ የሚፈልግ ሲሆን ይህም የላቲስ አለመጣጣም ችግር ያስከትላል።

ቁልፍ አፕሊኬሽኖች

የኃይል ኤሌክትሮኒክስ፡

የኢቪ ኢንቨርተሮች (ለምሳሌ፣ ቴስላ ሞዴል 3 የሲሲ MOSFETsን ይጠቀማል፣ ይህም ቅልጥፍናን በ5–10% ያሻሽላል)።

ፈጣን የኃይል መሙያ ጣቢያዎች/አዳፕተሮች (የGaN መሳሪያዎች 100W+ ፈጣን የኃይል መሙያ ኃይልን ያስችላሉ፣ መጠኑን በ50% ይቀንሳሉ።)

የRF መሳሪያዎች፡

የ5ጂ ቤዝ ጣቢያ የኃይል ማጉያዎች (GaN-on-SiC PAs mmWave frequenciesን ይደግፋሉ)።

ወታደራዊ ራዳር (GaN የGaAs የኃይል ጥግግት 5× ያቀርባል)።

ኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፡

የአልትራቫዮሌት ኤልኢዲዎች (በማምከን እና የውሃ ጥራትን ለመለየት የሚያገለግሉ የአልጋኤን ቁሳቁሶች)።

የኢንዱስትሪው ሁኔታ እና የወደፊት ተስፋ

ሲሲ ከፍተኛ ኃይል ያለውን ገበያ ይቆጣጠራል፣ የመኪና ደረጃ ሞጁሎች በጅምላ ምርት ላይ ይገኛሉ፣ ምንም እንኳን ወጪዎች እንቅፋት ሆነው ቢቀጥሉም።

GaN በሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ (ፈጣን ቻርጅ ማድረግ) እና በRF አፕሊኬሽኖች በፍጥነት እየተስፋፋ ሲሆን ወደ 8 ኢንች ዋፈር እየተሸጋገረ ነው።

እንደ ጋሊየም ኦክሳይድ (Ga₂O₃፣ ባንድጋፕ 4.8eV) እና አልማዝ (5.5eV) ያሉ አዳዲስ ቁሶች “አራተኛ ትውልድ” የሆኑ ሴሚኮንዳክተሮችን ሊፈጥሩ ይችላሉ፣ ይህም የቮልቴጅ ገደቦችን ከ20kV በላይ ሊገፉ ይችላሉ።

የሴሚኮንዳክተር ትውልዶች አብሮ መኖር እና ቅንጅት

ተኳኋኝ፣ ምትክ አይደለም፦

ሲሊከን በሎጂክ ቺፕስ እና በሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ (95% የዓለም ሴሚኮንዳክተር ገበያ) ውስጥ አሁንም የበላይ ሆኖ ቀጥሏል።

GaAs እና InP በከፍተኛ ድግግሞሽ እና በኦፕቶኤሌክትሮኒክ ኒኮች ላይ የተካኑ ናቸው።

SiC/GaN በኢነርጂ እና በኢንዱስትሪ አፕሊኬሽኖች ውስጥ የማይተኩ ናቸው።

የቴክኖሎጂ ውህደት ምሳሌዎች፡

GaN-on-Si: ለፈጣን መሙላት እና ለRF አፕሊኬሽኖች GaNን ከዝቅተኛ ዋጋ ያላቸው የሲሊኮን ንጣፎች ጋር ያጣምራል።

የSiC-IGBT ድብልቅ ሞጁሎች፡ የፍርግርግ ልወጣ ቅልጥፍናን ያሻሽሉ።

የወደፊት አዝማሚያዎች፡

የተለያዩ ውህደት፡- አፈጻጸምንና ወጪን ለማመጣጠን ቁሳቁሶችን (ለምሳሌ፣ Si + GaN) በአንድ ቺፕ ላይ ማዋሃድ።

እጅግ ሰፊ የሆነ የባንድ ክፍተት ቁሶች (ለምሳሌ፣ Ga₂O₃፣ አልማዝ) እጅግ ከፍተኛ ቮልቴጅ (>20kV) እና የኳንተም ኮምፒውቲንግ አፕሊኬሽኖችን ሊያነቃቁ ይችላሉ።

ተዛማጅ ምርት

የGaAs ሌዘር ኤፒታክሲያል ዋፈር 4 ኢንች 6 ኢንች

12 ኢንች SIC substrate ሲሊኮን ካርቦይድ ፕራይም ግሬድ ዲያሜትር 300 ሚሜ ትልቅ መጠን 4H-N ለከፍተኛ ኃይል መሳሪያ የሙቀት ስርጭት ተስማሚ