Առաջին սերունդ Երկրորդ սերունդ Երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութեր

Կիսահաղորդչային նյութերը զարգացել են երեք փոխակերպող սերունդների միջով.

1-ին սերունդը (Si/Ge) դրեց ժամանակակից էլեկտրոնիկայի հիմքը,

2-րդ սերունդը (GaAs/InP) ճեղքեց օպտոէլեկտրոնային և բարձր հաճախականության արգելքները՝ տեղեկատվական հեղափոխությունը հզորացնելու համար,

3-րդ սերունդը (SiC/GaN) այժմ լուծում է էներգետիկ և ծայրահեղ շրջակա միջավայրի մարտահրավերները՝ ապահովելով ածխածնային չեզոքություն և 6G դարաշրջան։

Այս առաջընթացը բացահայտում է նյութագիտության մեջ բազմակողմանիությունից դեպի մասնագիտացում անցնող պարադիգմայի փոփոխություն։

1. Առաջին սերնդի կիսահաղորդիչներ՝ սիլիցիում (Si) և գերմանիում (Ge)

Պատմական նախապատմություն

1947 թվականին Bell Labs-ը հորինեց գերմանիումի տրանզիստորը՝ նշանավորելով կիսահաղորդչային դարաշրջանի սկիզբը։ 1950-ական թվականներին սիլիցիումը աստիճանաբար փոխարինեց գերմանիումին որպես ինտեգրալ սխեմաների (IC) հիմք՝ իր կայուն օքսիդային շերտի (SiO₂) և առատ բնական պաշարների շնորհիվ։

Նյութական հատկություններ

ⅠԳծային բացվածք։

Գերմանիում. 0.67 էՎ (նեղ արգելակային գոտի, հակված է արտահոսքի հոսանքի, վատ բարձր ջերմաստիճանային դիմադրություն):

Սիլիցիում. 1.12 էՎ (անուղղակի արգելակային գոտի, հարմար է տրամաբանական սխեմաների համար, բայց լույսի ճառագայթման անկարող է):

Ⅱ,Սիլիկոնի առավելությունները.

Բնականաբար առաջացնում է բարձրորակ օքսիդ (SiO₂), որը հնարավորություն է տալիս ստեղծել MOSFET-ներ։

Ցածր գին և առատություն երկրի երկրակեղևում (երկրակեղևի կազմի մոտ 28%-ը):

Ⅲ,Սահմանափակումներ՝

Էլեկտրոնների ցածր շարժունակություն (ընդամենը 1500 սմ²/(V·s)), որը սահմանափակում է բարձր հաճախականության կատարողականությունը։

Թույլ լարման/ջերմաստիճանի հանդուրժողականություն (առավելագույն աշխատանքային ջերմաստիճան՝ ~150°C):

Հիմնական կիրառություններ

Ⅰ,Ինտեգրալ սխեմաներ (ԻՍ):

Պրոցեսորները, հիշողության չիպերը (օրինակ՝ DRAM, NAND) բարձր ինտեգրման խտության համար ապավինում են սիլիցիումին։

Օրինակ՝ Intel-ի 4004-ը (1971), առաջին առևտրային միկրոպրոցեսորը, օգտագործում էր 10 մկմ սիլիցիումային տեխնոլոգիա։

Ⅱ,Էլեկտրաէներգիայի սարքեր՝

Վաղ շրջանի թիրիստորները և ցածր լարման MOSFET-ները (օրինակ՝ համակարգչի սնուցման աղբյուրները) հիմնված էին սիլիցիումի վրա։

Մարտահրավերներ և հնացում

Գերմանիումը փուլ առ փուլ դուրս եկավ շրջանառությունից՝ արտահոսքի և ջերմային անկայունության պատճառով։ Սակայն, օպտոէլեկտրոնիկայի և բարձր հզորության կիրառություններում սիլիցիումի սահմանափակումները խթանեցին հաջորդ սերնդի կիսահաղորդիչների զարգացումը։

Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդիչներ՝ գալիումի արսենիդ (GaAs) և ինդիումի ֆոսֆիդ (InP)

Զարգացման նախապատմություն

1970-1980-ական թվականներին զարգացող ոլորտները, ինչպիսիք են բջջային կապը, օպտիկամանրաթելային ցանցերը և արբանյակային տեխնոլոգիաները, ստեղծեցին բարձր հաճախականության և արդյունավետ օպտոէլեկտրոնային նյութերի մեծ պահանջարկ։ Սա խթանեց ուղիղ գոտիական բացվածքով կիսահաղորդիչների, ինչպիսիք են GaAs-ը և InP-ն, զարգացումը։

Նյութական հատկություններ

Գոտիների բացվածք և օպտոէլեկտրոնային կատարողականություն.

GaAs: 1.42 էՎ (ուղղակի արգելակային գոտի, հնարավորություն է տալիս լույսի արձակման՝ իդեալական է լազերների/LED-ների համար):

InP: 1.34 էՎ (ավելի հարմար է երկար ալիքի երկարության կիրառությունների համար, օրինակ՝ 1550 նմ օպտիկամանրաթելային կապի համար):

Էլեկտրոնների շարժունակություն.

GaAs-ը հասնում է 8500 սմ²/(V·s)-ի, զգալիորեն գերազանցելով սիլիցիումին (1500 սմ²/(V·s)), դարձնելով այն օպտիմալ ԳՀց հաճախականությունների ազդանշանների մշակման համար։

Թերություններ

լՓխրուն հիմքեր. ավելի դժվար է արտադրել, քան սիլիցիումը. GaAs թիթեղները 10 անգամ ավելի թանկ են։

լԲնիկ օքսիդի բացակայություն. Ի տարբերություն սիլիցիումի SiO₂-ի, GaAs/InP-ն չունի կայուն օքսիդներ, ինչը խոչընդոտում է բարձր խտության ինտեգրալ սխեմաների արտադրությանը։

Հիմնական կիրառություններ

լՌադիոհաճախականության առջևի մասեր՝

Շարժական հզորության ուժեղացուցիչներ (PA), արբանյակային փոխանցող-հաղորդիչներ (օրինակ՝ GaAs-ի վրա հիմնված HEMT տրանզիստորներ):

լՕպտոէլեկտրոնիկա։

Լազերային դիոդներ (CD/DVD կրիչներ), լուսադիոդներ (կարմիր/ինֆրակարմիր), օպտիկամանրաթելային մոդուլներ (InP լազերներ):

լՏիեզերական արևային մարտկոցներ.

GaAs մարտկոցները հասնում են 30% արդյունավետության (ի տարբերություն սիլիցիումի մոտ 20%-ի), ինչը կարևոր է արբանյակների համար։ 

լՏեխնոլոգիական խոչընդոտներ

Բարձր ծախսերը GaAs/InP-ն սահմանափակում են միայն բարձրակարգ կիրառությունների խորշային հատվածում, ինչը թույլ չի տալիս դրանց դուրս մղել սիլիցիումի գերիշխանությունը տրամաբանական չիպերի ոլորտում։

Երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչներ (լայն գոտիական բացվածքով կիսահաղորդիչներ). սիլիցիումի կարբիդ (SiC) և գալիումի նիտրիդ (GaN)

Տեխնոլոգիական շարժիչ ուժեր

Էներգետիկ հեղափոխություն. Էլեկտրական տրանսպորտային միջոցները և վերականգնվող էներգիայի ցանցերի ինտեգրումը պահանջում են ավելի արդյունավետ էներգաարդյունավետ սարքեր։

Բարձր հաճախականության կարիքներ. 5G կապի և ռադարային համակարգերը պահանջում են ավելի բարձր հաճախականություններ և հզորության խտություն։

Ծայրահեղ միջավայրեր. Ավիատիեզերական և արդյունաբերական շարժիչային կիրառությունները պահանջում են նյութեր, որոնք կարող են դիմակայել 200°C-ից բարձր ջերմաստիճաններին։

Նյութական բնութագրեր

Լայն գոտիականության առավելությունները.

լSiC: 3.26 էՎ լարման գոտի, սիլիցիումի ճեղքման էլեկտրական դաշտի ուժգնությունը 10 անգամ մեծ է, կարող է դիմակայել 10 կՎ-ից բարձր լարումների։

լGaN. 3.4 էՎ լարման գոտի, 2200 սմ²/(V·s) էլեկտրոնային շարժունակություն, գերազանց բարձր հաճախականության կատարողականությամբ։

Ջերմային կառավարում.

SiC-ի ջերմահաղորդականությունը հասնում է 4.9 Վտ/(սմ·Կ)-ի, որը երեք անգամ ավելի լավ է, քան սիլիցիումինը, ինչը այն դարձնում է իդեալական բարձր հզորության կիրառությունների համար։

Նյութական մարտահրավերներ

SiC. Միաբյուրեղի դանդաղ աճը պահանջում է 2000°C-ից բարձր ջերմաստիճան, ինչը հանգեցնում է թիթեղների արատների և բարձր գնի (6 դյույմանոց SiC թիթեղը 20 անգամ ավելի թանկ է, քան սիլիցիումը):

GaN. Զուրկ է բնական հիմքից, հաճախ պահանջում է հետերոէպիտաքսիա շափյուղայի, SiC-ի կամ սիլիցիումի հիմքերի վրա, ինչը հանգեցնում է ցանցի անհամապատասխանության խնդիրների։

Հիմնական կիրառություններ

Հզորության էլեկտրոնիկա՝

Էլեկտրական մեքենաների ինվերտորներ (օրինակ՝ Tesla Model 3-ը օգտագործում է SiC MOSFET-ներ, որոնք բարելավում են արդյունավետությունը 5–10%-ով):

Արագ լիցքավորման կայաններ/ադապտերներ (GaN սարքերը հնարավորություն են տալիս արագ լիցքավորել 100 Վտ+ հզորությամբ՝ միաժամանակ 50%-ով կրճատելով չափսը):

Ռադիոհաճախականության սարքեր՝

5G բազային կայանի հզորության ուժեղացուցիչները (GaN-on-SiC PA-ները աջակցում են մմ-ալիքային հաճախականություններին):

Ռազմական ռադար (GaN-ը առաջարկում է GaAs-ի հզորության խտության 5 անգամ մեծություն):

Օպտոէլեկտրոնիկա։

Ուլտրամանուշակագույն լուսադիոդներ (AlGaN նյութեր, որոնք օգտագործվում են ստերիլիզացման և ջրի որակի որոշման մեջ):

Արդյունաբերության կարգավիճակը և ապագայի հեռանկարը

SiC-ը գերիշխում է բարձր հզորության շուկայում, քանի որ ավտոմոբիլային դասի մոդուլներն արդեն իսկ զանգվածային արտադրության մեջ են, չնայած ծախսերը շարունակում են խոչընդոտ հանդիսանալ։

GaN-ը արագորեն ընդլայնվում է սպառողական էլեկտրոնիկայի (արագ լիցքավորում) և ռադիոհաճախականության կիրառություններում՝ անցում կատարելով 8 դյույմանոց վեֆլերի։

Գալիումի օքսիդի (Ga₂O₃, 4.8 էՎ գոտիական բացվածք) և ադամանդի (5.5 էՎ) նման ի հայտ եկող նյութերը կարող են ձևավորել կիսահաղորդիչների «չորրորդ սերունդ», որը լարման սահմանները կհեռացնի 20 կՎ-ից այն կողմ։

Կիսահաղորդչային սերունդների համակեցություն և սիներգիա

Լրացում, ոչ թե փոխարինում.

Սիլիցիումը շարունակում է գերիշխող դիրք զբաղեցնել տրամաբանական չիպերի և սպառողական էլեկտրոնիկայի ոլորտում (կիսահաղորդչային համաշխարհային շուկայի 95%-ը):

GaAs-ը և InP-ն մասնագիտանում են բարձր հաճախականության և օպտոէլեկտրոնային խորշերում։

SiC/GaN-ը անփոխարինելի են էներգետիկայի և արդյունաբերական կիրառություններում։

Տեխնոլոգիական ինտեգրման օրինակներ՝

GaN-on-Si. համատեղում է GaN-ը ցածրարժեք սիլիցիումային հիմքերի հետ՝ արագ լիցքավորման և ռադիոհաճախականության կիրառությունների համար։

SiC-IGBT հիբրիդային մոդուլներ. Բարելավեք ցանցի փոխակերպման արդյունավետությունը։

Ապագայի միտումները.

Հետերոգեն ինտեգրացիա. նյութերի (օրինակ՝ Si + GaN) համադրություն մեկ չիպի վրա՝ կատարողականությունն ու արժեքը հավասարակշռելու համար։

Գերլայն արգելակային գոտի ունեցող նյութերը (օրինակ՝ Ga₂O₃, ադամանդ) կարող են հնարավորություն տալ գերբարձր լարման (>20 կՎ) և քվանտային հաշվարկների կիրառման համար։

Առնչվող արտադրություն

GaAs լազերային էպիտաքսիալ վաֆլի 4 դյույմ 6 դյույմ

12 դյույմ SIC հիմք սիլիցիումի կարբիդային պրեմիում դասի, տրամագիծը՝ 300 մմ, մեծ չափսը՝ 4H-N, հարմար է բարձր հզորության սարքի ջերմության ցրման համար