የመጀመሪያ-ትውልድ ሁለተኛ-ትውልድ የሶስተኛ-ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች

ሴሚኮንዳክተር ቁሶች በሶስት የለውጥ ትውልዶች ተሻሽለዋል፡-

1ኛ ጀነራል (ሲ/ጂ) የዘመናዊ ኤሌክትሮኒክስ ዕቃዎችን መሠረት ጥሏል፣

2ኛ ጀነራል (GaAs/InP) የመረጃ አብዮትን ለማብቃት የኦፕቶኤሌክትሮኒክ እና ከፍተኛ ድግግሞሽ እንቅፋቶችን አቋርጧል።

3ኛ Gen (SiC/GaN) አሁን የኃይል እና ከፍተኛ የአካባቢ ተግዳሮቶችን ተቋቁሟል፣ ይህም የካርቦን ገለልተኝነትን እና የ6ጂ ዘመንን ያስችላል።

ይህ ግስጋሴ ከሁለገብነት ወደ በቁሳዊ ሳይንስ ልዩ ባለሙያተኝነት የተሸጋገረ ለውጥ ያሳያል።

1. አንደኛ-ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች፡- ሲሊኮን (ሲ) እና ጀርመኒየም (ጂ)

ታሪካዊ ዳራ

እ.ኤ.አ. በ 1947 ቤል ላብስ የሴሚኮንዳክተር ዘመን መባቻ የሆነውን የጀርማኒየም ትራንዚስተር ፈጠረ። እ.ኤ.አ. በ 1950 ዎቹ ፣ ሲሊከን በተረጋጋ ኦክሳይድ ንብርብር (SiO₂) እና በተትረፈረፈ የተፈጥሮ ክምችት ምክንያት germaniumን የተቀናጁ ወረዳዎች (ICs) መሠረት አድርጎ ቀስ በቀስ ተተካ።

የቁሳቁስ ባህሪያት

Ⅰማሰሪያ

ጀርመኒየም፡ 0.67eV (ጠባብ ባንድ ክፍተት፣ ለአሁኑ ፍሳሽ የተጋለጠ፣ ደካማ ከፍተኛ ሙቀት አፈጻጸም)።

ሲሊኮን: 1.12eV (ተዘዋዋሪ የባንድጋፕ, ለሎጂክ ወረዳዎች ተስማሚ የሆነ ነገር ግን የብርሃን ልቀትን የማይችለው).

Ⅱ፣የሲሊኮን ጥቅሞች:

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

ዝቅተኛ ወጭ እና ምድር የበዛ (~ 28% የክርስታል ቅንብር)።

Ⅲ፣ገደቦች፡-

ዝቅተኛ የኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት (1500 ሴሜ²/(V·s))፣ የከፍተኛ ድግግሞሽ አፈጻጸምን የሚገድብ።

ደካማ የቮልቴጅ / የሙቀት መቻቻል (ከፍተኛ የሥራ ሙቀት ~ 150 ° ሴ).

ቁልፍ መተግበሪያዎች

Ⅰ፣የተዋሃዱ ወረዳዎች (አይሲዎች)፡-

ሲፒዩዎች፣ የማስታወሻ ቺፖችን (ለምሳሌ፣ DRAM፣ NAND) ለከፍተኛ ውህደት ጥግግት በሲሊኮን ላይ ይመረኮዛሉ።

ምሳሌ፡ Intel's 4004 (1971)፣ የመጀመሪያው የንግድ ማይክሮፕሮሰሰር፣ 10μm የሲሊኮን ቴክኖሎጂ ተጠቅሟል።

Ⅱ፣የኃይል መሣሪያዎች;

Early thyristors እና ዝቅተኛ-ቮልቴጅ MOSFETs (ለምሳሌ ፒሲ ሃይል አቅርቦቶች) በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ነበሩ።

ተግዳሮቶች እና ጊዜ ያለፈበት

ጀርመኒየም በመፍሰሱ እና በሙቀት አለመረጋጋት ምክንያት ተቋርጧል። ሆኖም፣ የሲሊኮን ውስንነት በኦፕቶኤሌክትሮኒክስ እና በከፍተኛ ኃይል አፕሊኬሽኖች ውስጥ የቀጣይ-ጂን ሴሚኮንዳክተሮችን እድገት አነሳስቷል።

2ሁለተኛ-ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች፡- ጋሊየም አርሴንዲድ (ጋኤኤስ) እና ኢንዲየም ፎስፋይድ (ኢንፒ)

የእድገት ዳራ

በ1970ዎቹ-1980ዎቹ እንደ ሞባይል ኮሙዩኒኬሽን፣ ኦፕቲካል ፋይበር ኔትወርኮች፣ እና የሳተላይት ቴክኖሎጂ ብቅ ያሉ መስኮች ለከፍተኛ ድግግሞሽ እና ቀልጣፋ የኦፕቶኤሌክትሮኒክ ቁሶች አንገብጋቢ ፍላጎት ፈጥረዋል። ይህ እንደ GaAs እና InP ያሉ የቀጥታ ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተሮች እድገትን አመጣ።

የቁሳቁስ ባህሪያት

ባንድጋፕ እና ኦፕቶኤሌክትሮኒክ አፈጻጸም፡

GAAs፡ 1.42eV (ቀጥታ ባንድ ክፍተት፣የብርሃን ልቀትን ያስችላል—ለሌዘር/LEDs ተስማሚ)።

InP: 1.34eV (ለረጅም ሞገድ አፕሊኬሽኖች በተሻለ ሁኔታ ተስማሚ ነው, ለምሳሌ, 1550nm ፋይበር ኦፕቲክ ግንኙነቶች).

የኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት;

ጋኤኤስ 8500 ሴሜ²/(V·s)፣ እጅግ የላቀ ሲሊኮን (1500 ሴሜ²/(V·s)) ማሳካት፣ ይህም ለGHz-ክልል ሲግናል ማቀናበር ተመራጭ ያደርገዋል።

ጉዳቶች

ኤልብስባሽ ንጣፎች፡- ከሲሊኮን ለማምረት በጣም ከባድ; የGaAs ዋፍሮች 10× ተጨማሪ ያስከፍላሉ።

ኤልምንም ቤተኛ ኦክሳይድ የለም፡ ከሲሊኮን SiO₂ በተለየ፣ GaAs/InP የተረጋጋ ኦክሳይዶች ስለሌላቸው ከፍተኛ መጠን ያለው አይሲ እንዳይፈጠር እንቅፋት ሆኖባቸዋል።

ቁልፍ መተግበሪያዎች

ኤልRF የፊት-ፍጻሜዎች፡-

የሞባይል ሃይል ማጉያዎች (PAs)፣ የሳተላይት ትራንስሰተሮች (ለምሳሌ በጋኤኤስ ላይ የተመሰረቱ HEMT ትራንዚስተሮች)።

ኤልኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፡

ሌዘር ዳዮዶች (ሲዲ/ዲቪዲ አንጻፊዎች)፣ ኤልኢዲዎች (ቀይ/ኢንፍራሬድ)፣ ፋይበር ኦፕቲክ ሞጁሎች (InP lasers)።

ኤልየጠፈር የፀሐይ ህዋሶች;

የጂኤኤስ ሴሎች 30% ቅልጥፍናን ያሳድጋሉ (ከ ~ 20% ለሲሊኮን)፣ ለሳተላይቶች ወሳኝ። 

ኤልየቴክኖሎጂ ጠርሙሶች

ከፍተኛ ወጪ GaAs/InP ከፍተኛ ደረጃ ያላቸውን አፕሊኬሽኖች ይገድባል፣ ይህም የሲሊኮን የበላይነት በሎጂክ ቺፖች ውስጥ እንዳይፈናቀል ይከላከላል።

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

የቴክኖሎጂ አሽከርካሪዎች

የኢነርጂ አብዮት፡- የኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች እና ታዳሽ የኃይል ፍርግርግ ውህደት የበለጠ ቀልጣፋ የኃይል መሣሪያዎችን ይፈልጋሉ።

ከፍተኛ-ድግግሞሽ ፍላጎቶች፡ 5ጂ ግንኙነቶች እና ራዳር ሲስተሞች ከፍ ያለ ድግግሞሽ እና የሃይል ጥግግት ያስፈልጋቸዋል።

ጽንፈኛ አከባቢዎች፡ የኤሮስፔስ እና የኢንዱስትሪ ሞተር አፕሊኬሽኖች ከ200°C በላይ የሙቀት መጠንን ለመቋቋም የሚችሉ ቁሶች ያስፈልጋቸዋል።

የቁሳቁስ ባህሪያት

ሰፊ የባንድጋፕ ጥቅሞች፡-

ኤልሲሲ፡ የ3.26eV ባንድጋፕ፣ ብልሽት የኤሌክትሪክ መስክ ጥንካሬ 10× የሲሊኮን፣ ከ10kV በላይ ቮልቴጅን የመቋቋም ችሎታ።

ኤልጋኤን፡ የ3.4eV ባንድጋፕ፣ ኤሌክትሮን ተንቀሳቃሽነት 2200 ሴሜ²/(V·s)፣ በከፍተኛ ድግግሞሽ አፈጻጸም የላቀ።

የሙቀት አስተዳደር;

የሲሲ ቴርማል ኮንዳክሽን 4.9 ዋ/(ሴሜ · ኬ) ይደርሳል፣ ከሲሊኮን በሶስት እጥፍ ይበልጣል፣ ይህም ለከፍተኛ ሃይል አፕሊኬሽኖች ምቹ ያደርገዋል።

የቁሳቁስ ተግዳሮቶች

SiC: ቀስ በቀስ ነጠላ-ክሪስታል እድገት ከ 2000 ዲግሪ ሴንቲግሬድ በላይ ሙቀትን ይፈልጋል, ይህም የዋፈር ጉድለቶችን እና ከፍተኛ ወጪዎችን ያስከትላል (የ 6 ኢንች ሲሲ ዋፈር ከሲሊኮን 20 × የበለጠ ውድ ነው).

ጋኤን፡ ተፈጥሯዊ ንዑሳን ክፍል የለውም፣ ብዙ ጊዜ በ sapphire፣ SiC ወይም silicon substrates ላይ heteroepitaxy ያስፈልገዋል፣ ይህም ወደ ጥልፍልፍ አለመመጣጠን ጉዳዮች ይመራዋል።

ቁልፍ መተግበሪያዎች

የኃይል ኤሌክትሮኒክስ;

EV inverters (ለምሳሌ፣ Tesla Model 3 SiC MOSFETs ይጠቀማል፣ ቅልጥፍናን በ5-10%) ያሻሽላል።

ፈጣን የኃይል መሙያ ጣቢያዎች/አስማሚዎች (የጋኤን መሳሪያዎች 100W+ ፈጣን ባትሪ መሙላትን እና መጠኑን በ 50% ሲቀንሱ)።

RF መሳሪያዎች፡-

5ጂ ቤዝ ጣቢያ ሃይል ማጉያዎች (GaN-on-SiC PAs mmWave frequencies ይደግፋሉ)።

ወታደራዊ ራዳር (GaN 5× የ GaAs ሃይል ጥግግት ያቀርባል)።

ኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፡

UV LEDs (የአልጋኤን ቁሳቁሶች በማምከን እና የውሃ ጥራትን ለመለየት ጥቅም ላይ ይውላሉ).

የኢንዱስትሪ ሁኔታ እና የወደፊት እይታ

ምንም እንኳን ወጪዎች እንቅፋት ሆነው ቢቆዩም ሲሲ ከፍተኛ ኃይል ያለው ገበያውን ይቆጣጠራል፣ በአውቶሞቲቭ ደረጃ ሞጁሎች ቀድሞውኑ በጅምላ ምርት ውስጥ ይገኛሉ።

ጋኤን በሸማች ኤሌክትሮኒክስ (ፈጣን ኃይል መሙላት) እና RF አፕሊኬሽኖች ውስጥ በፍጥነት እየሰፋ ነው፣ ወደ 8 ኢንች ዋይፋሪዎች ይሸጋገራል።

እንደ ጋሊየም ኦክሳይድ (Ga₂O₃፣ bandgap 4.8eV) እና አልማዝ (5.5eV) ብቅ ያሉ ቁሶች ሴሚኮንዳክተሮች "አራተኛ ትውልድ" ሊፈጥሩ ይችላሉ፣ ይህም የቮልቴጅ ገደቦችን ከ20 ኪሎ ቮልት በላይ ይገፋሉ።

የሴሚኮንዳክተር ትውልዶች አብሮ መኖር እና ውህደት

ማሟያነት እንጂ መተካት አይደለም፡

ሲሊኮን በሎጂክ ቺፕስ እና በተጠቃሚ ኤሌክትሮኒክስ (ከአለም አቀፍ ሴሚኮንዳክተር ገበያ 95%) የበላይ ሆኖ ይቆያል።

GaAs እና InP በከፍተኛ ድግግሞሽ እና በ optoelectronic niches ላይ ልዩ ናቸው።

SiC/GaN በሃይል እና በኢንዱስትሪ አፕሊኬሽኖች ውስጥ የማይተኩ ናቸው።

የቴክኖሎጂ ውህደት ምሳሌዎች፡-

GaN-on-Si፡ ለፈጣን ባትሪ መሙላት እና ለ RF አፕሊኬሽኖች ጋኤንን ከዝቅተኛ ዋጋ የሲሊኮን መለዋወጫ ጋር ያጣምራል።

SiC-IGBT ድብልቅ ሞጁሎች፡ የፍርግርግ ልወጣ ቅልጥፍናን ያሻሽሉ።

የወደፊት አዝማሚያዎች

የተለያየ ውህደት፡ አፈጻጸምን እና ወጪን ለማመጣጠን ቁሳቁሶችን (ለምሳሌ Si + GaN) በአንድ ቺፕ ላይ በማጣመር።

እጅግ በጣም ሰፊ የባንድጋፕ ቁሶች (ለምሳሌ፣ Ga₂O₃፣ አልማዝ) እጅግ በጣም ከፍተኛ-ቮልቴጅ (>20kV) እና የኳንተም ማስላት መተግበሪያዎችን ሊያነቃቁ ይችላሉ።

ተዛማጅ ምርት

GaAs laser epitaxial wafer 4 ኢንች 6 ኢንች

12 ኢንች SIC substrate ሲሊከን ካርቦይድ ዋና ደረጃ ዲያሜትር 300mm ትልቅ መጠን 4H-N ለከፍተኛ ኃይል መሣሪያ ሙቀት መበታተን ተስማሚ