Ondarymgeçiriji materiallar üç üýtgeýän nesil arkaly ösdi:
1-nji Gen (Si / Ge) häzirki zaman elektronikasynyň düýbüni tutdy,
2-nji Gen (GaAs / InP) maglumat rewolýusiýasyny güýçlendirmek üçin optoelektron we ýokary ýygylykly päsgelçilikleri ýeňip geçdi,
3-nji Gen (SiC / GaN) indi uglerodyň bitaraplygyny we 6G döwrüni üpjün edip, energiýa we aşa daşky gurşaw meselelerini çözýär.
Bu öňegidişlik, köpugurlylykdan maddy ylym hünärmenligine paradigma çalşygyny açýar.
1. Birinji nesil ýarymgeçirijiler: Silikon (Si) we Germanium (Ge)
Taryhy maglumatlar
1947-nji ýylda “Bell Labs” ýarymgeçiriji döwrüniň başlangyjy bolan germaniý tranzistoryny oýlap tapdy. 1950-nji ýyllarda kremniý durnukly oksid gatlagy (SiO₂) we bol tebigy gorlary sebäpli integral zynjyrlaryň (IC) esasyny kem-kemden çalyşdy.
Maddy aýratynlyklar
ⅠBandgap:
Germaniýa: 0.67eV (dar zolakly, tok akymyna meýilli, ýokary temperaturanyň pesligi).
Silikon: 1.12eV (gytaklaýyn zolak, logiki zynjyrlar üçin amatly, ýöne ýagtylyk çykaryp bilmeýär).
Ⅱ、Silikonyň artykmaçlyklary:
Elbetde, MOSFET ýasamaga mümkinçilik berýän ýokary hilli oksidi (SiO₂) emele getirýär.
Arzan bahasy we toprak köp (gabyk düzüminiň% 28%).
Ⅲ、Çäklendirmeler:
Elektronyň pes hereketi (bary-ýogy 1500 sm² / (V · s)), ýokary ýygylykly işleýşi çäklendirýär.
Gowşak naprýa .eniýe / temperatura çydamlylygy (iň ýokary iş temp. ~ 150 ° C).
Esasy goýmalar
Ⅰ、Toplumlaýyn zynjyrlar (IC):
CPU, ýat çipleri (meselem, DRAM, NAND) ýokary integrasiýa dykyzlygy üçin kremnä bil baglaýar.
Mysal: Ilkinji täjirçilik mikroprosessor bolan Intel-iň 4004 (1971) 10μm kremniy tehnologiýasyny ulandy.
Ⅱ、Kuwwat enjamlary:
Irki tiristorlar we pes woltly MOSFETler (meselem, kompýuter elektrik üpjünçiligi) kremniý esaslydy.
Kynçylyklar we könelişmek
Germanium syzmak we ýylylyk durnuksyzlygy sebäpli tapgyrlaýyn öçürildi. Şeýle-de bolsa, optoelektronikada we ýokary güýçli programmalarda kremniniň çäklendirmeleri indiki gen ýarymgeçirijileriň ösmegine itergi berdi.
2-ikinji nesil ýarymgeçirijiler: Gallium Arsenide (GaAs) we Indium Fosphide (InP)
Ösüş maglumatlary
1970-80-nji ýyllarda ykjam aragatnaşyk, optiki süýüm torlary we hemra tehnologiýasy ýaly döreýän ugurlar ýokary ýygylykly we täsirli optoelektron materiallaryna uly isleg döretdi. Bu, GaAs we InP ýaly göni zolakly ýarymgeçirijileriň öňe gitmegine itergi berdi.
Maddy aýratynlyklar
Bandgap we optoelektron öndürijiligi:
GaAs: 1.42eV (göni zolak, lazer / yşyk-diodly indikatorlar üçin amatly)
InP: 1.34eV (uzyn tolkunly programmalar üçin has amatly, meselem, 1550nm süýüm-optiki aragatnaşyk).
Elektron hereketi:
GaAs 8500 sm² / (V · s), kremniden (1500 sm² / (V · s)) has ýokary bolup, GHz diapazonly signallary gaýtadan işlemek üçin iň amatly bolýar.
Adetmezçilikleri
lDöwülen substratlar: Kremniden öndürmek has kyn; GaAs wafli 10 × gymmat.
lNativeerli oksid ýok: Silikonyň SiO₂-dan tapawutlylykda, GaAs / InP ýokary dykyzlykly IC ýasamagyna päsgel berýän durnukly oksidleri ýetmezçilik edýär.
Esasy goýmalar
lRF Front-End:
Jübi güýç güýçlendirijileri (PA), hemra geçirijileri (mysal üçin, GaAs esasly HEMT tranzistorlary).
lOptoelektronika:
Lazer diodlary (CD / DVD diskler), yşyklandyryjylar (gyzyl / infragyzyl), süýüm-optiki modullar (InP lazerleri).
lKosmos Gün öýjükleri:
GaAs öýjükleri hemra üçin möhüm bolan 30% netijelilige ýetýär (kremniý üçin% 20%).
lTehnologiki kynçylyklar
Costsokary çykdajylar, GaAs / InP-ni ýokary derejeli programmalar bilen çäklendirýär, logiki çiplerde kremniniň agdyklyk etmeginiň öňüni alýar.
Üçünji nesil ýarymgeçirijiler (Giň zolakly ýarymgeçirijiler): Silikon Karbid (SiC) we Gallium Nitride (GaN)
Tehnologiýa sürüjileri
Energetika ynkylaby: Elektrik ulaglary we täzelenip bilýän energiýa torunyň integrasiýasy has netijeli elektrik enjamlaryny talap edýär.
Gokary ýygylyk zerurlyklary: 5G aragatnaşyk we radar ulgamlary has ýokary ýygylyklary we güýç dykyzlygyny talap edýär.
Ekstremal gurşaw: Aerokosmos we senagat hereketlendirijileri 200 ° C-den ýokary temperatura çydamly materiallara mätäç.
Maddy aýratynlyklar
Giň zolakly artykmaçlyklar:
lSiC: 3.26eV zolakly, 10kV-den ýokary naprýa .eniýelere garşy durmaga ukyply kremniniň güýji 10 ×.
lGaN: 3.4eV zolakly, 2200 sm² / (V · s) elektron hereketi, ýokary ýygylykly öndürijilikde ajaýyp.
Malylylyk dolandyryşy:
SiC-iň ýylylyk geçirijiligi 4,9 W / (cm · K) ýetýär, kremniden üç esse gowudyr we ýokary güýçli programmalar üçin amatlydyr.
Maddy kynçylyklar
SiC: -eke-täk kristal ösüşi 2000 ° C-den ýokary temperaturany talap edýär, netijede wafli kemçilikleri we ýokary çykdajylar bolýar (6 dýuým SiC wafli kremniden 20 × gymmat).
GaN: Tebigy substrat ýetmezçilik edýär, köplenç sapfir, SiC ýa-da kremniý substratlarda heteroepitaksi talap edýär, bu bolsa panjara laýyk gelmezlige sebäp bolýar.
Esasy goýmalar
Kuwwat elektronikasy:
EV inwertorlary (mysal üçin, Tesla Model 3 SiC MOSFET-lerini ulanýar, netijeliligini 5-10% ýokarlandyrýar).
Çalt zarýad beriş stansiýalary / adapterleri (GaN enjamlary 100W + çalt zarýad bermäge mümkinçilik berýär, ululygyny 50% azaldýar).
RF enjamlary:
5G esasy stansiýa güýç güýçlendirijileri (GaN-on-SiC PAs mmWave ýygylyklaryny goldaýar).
Harby radar (GaN GaA-laryň güýç dykyzlygyny 5 × hödürleýär).
Optoelektronika:
UV yşyklandyryjylar (sterilizasiýa we suwuň hilini kesgitlemekde ulanylýan AlGaN materiallary).
Senagatyň ýagdaýy we geljegi
SiC ýokary kuwwatly bazarda agdyklyk edýär, awtoulag derejeli modullar eýýäm köpçülikleýin önümçilikde, çykdajylar päsgelçilik bolup galýar.
GaN sarp ediş elektronikasynda (çalt zarýad bermek) we RF programmalarynda çaltlyk bilen giňelýär we 8 dýuým wafli geçýär.
Galiý oksidi (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) we göwher (5.5eV) ýaly döreýän materiallar ýarymgeçirijileriň “dördünji nesli” bolup, naprýatageeniýe çäklerini 20kV-den ýokary edip biler.
Ondarymgeçiriji nesilleriň bilelikde ýaşamagy we sinergiýasy
Çalyşmak däl-de, doldurmak:
Silikon logiki çiplerde we sarp ediş elektronikasynda agdyklyk edýär (dünýä ýarymgeçiriji bazarynyň 95%).
GaAs we InP ýokary ýygylykly we optoelektroniki ýerlerde ýöriteleşýärler.
SiC / GaN energiýa we önümçilik goşundylarynda çalşyp bolmaýar.
Tehnologiýa integrasiýa mysallary:
GaN-on-Si: GaN-i çalt zarýad bermek we RF amaly üçin arzan bahaly kremniy substratlar bilen birleşdirýär.
SiC-IGBT gibrid modullary: Toruň öwrülişiniň netijeliligini ýokarlandyrmak.
Geljekki tendensiýalar:
Geterogen integrasiýa: öndürijiligi we çykdajylary deňleşdirmek üçin materiallary (meselem, Si + GaN) bir çipde birleşdirmek.
Ultra giň zolakly materiallar (meselem, Ga₂O₃, göwher) ultra ýokary woltly (> 20kV) we kwant hasaplaýyş programmalaryny işledip biler.
Degişli önümçilik
GaAs lazer epitaksial wafli 4 dýuým 6 dýuým
12 dýuým SIK substrat kremniy karbidiň esasy derejeli diametri 300mm uly ululygy 4H-N powerokary kuwwatly enjamyň ýylylyk ýaýramagy üçin amatly
Iş wagty: Maý-07-2025