Жартылай өткізгіш материалдар үш трансформациялық ұрпақ арқылы дамыды:
1-ші буын (Si/Ge) заманауи электрониканың негізін қалады,
2-ші буын (GaAs/InP) ақпараттық революцияны қуаттандыру үшін оптоэлектронды және жоғары жиілікті кедергілерді бұзды,
3-ші буын (SiC/GaN) енді көміртегі бейтараптығына және 6G дәуіріне мүмкіндік беретін энергетикалық және экстремалды қоршаған орта проблемаларын шешеді.
Бұл прогресс материалтанудағы әмбебаптықтан мамандандыруға парадигманың ауысуын көрсетеді.
1. Бірінші буын жартылай өткізгіштер: кремний (Si) және германий (Ge)
Тарихи фон
1947 жылы Bell Labs жартылай өткізгіштер дәуірінің таңын белгілейтін германий транзисторын ойлап тапты. 1950 жылдары кремний тұрақты оксид қабаты (SiO₂) және мол табиғи қорлардың арқасында интегралды схемалардың (IC) негізі ретінде германийді біртіндеп ауыстырды.
Материалдық қасиеттер
ⅠЖолақ:
Германий: 0,67эВ (тар жолақ, ағып кету тогына бейім, жоғары температурада нашар өнімділік).
Кремний: 1,12эВ (жанама жолақ, логикалық схемалар үшін жарамды, бірақ жарық шығаруға қабілетсіз).
Ⅱ、Кремнийдің артықшылықтары:
Әрине, MOSFET өндіруге мүмкіндік беретін жоғары сапалы оксид (SiO₂) құрайды.
Төмен құны және жер қыртысының құрамының ~ 28% -ы мол.
Ⅲ、Шектеулер:
Төмен электрондардың қозғалғыштығы (тек 1500 см²/(V·s)), жоғары жиілікті өнімділікті шектейді.
Әлсіз кернеуге/температураға төзімділік (максималды жұмыс температурасы ~150°C).
Негізгі қолданбалар
Ⅰ、Интегралды схемалар (IC):
Орталық процессорлар, жад чиптері (мысалы, DRAM, NAND) интеграцияның жоғары тығыздығы үшін кремнийге сүйенеді.
Мысал: Intel компаниясының 4004 (1971), бірінші коммерциялық микропроцессорында 10 мкм кремний технологиясы қолданылды.
Ⅱ、Қуат құрылғылары:
Алғашқы тиристорлар мен төмен вольтты MOSFET (мысалы, ДК қуат көздері) кремний негізіндегі болды.
Қиындықтар және ескіру
Германияның ағып кетуіне және термиялық тұрақсыздығына байланысты жойылды. Дегенмен, кремнийдің оптоэлектроникадағы және жоғары қуатты қолданбалардағы шектеулері келесі текті жартылай өткізгіштердің дамуына түрткі болды.
2 Екінші буын жартылай өткізгіштер: галлий арсениді (GaAs) және индий фосфиді (InP)
Даму фон
1970-1980 жылдары ұялы байланыс, талшықты оптикалық желілер және спутниктік технологиялар сияқты дамып келе жатқан салалар жоғары жиілікті және тиімді оптоэлектрондық материалдарға сұранысты тудырды. Бұл GaAs және InP сияқты тікелей диапазонды жартылай өткізгіштердің дамуына түрткі болды.
Материалдық қасиеттер
Жолақ және оптоэлектрондық өнімділік:
GaAs: 1,42эВ (тікелей өткізу жолағы, жарық шығаруды қосады — лазерлер/жарық диодтар үшін өте қолайлы).
InP: 1,34eV (ұзын толқынды қолданбалар үшін қолайлырақ, мысалы, 1550нм талшықты-оптикалық байланыс).
Электрондардың қозғалғыштығы:
GaAs кремнийден (1500 см²/(В·с)) асып түсетін 8500 см²/(V·с) жетеді, бұл оны ГГц диапазонындағы сигналдарды өңдеу үшін оңтайлы етеді.
Кемшіліктері
лСынғыш субстраттар: кремнийге қарағанда өндіру қиынырақ; GaAs вафлилері 10 есе қымбат.
лТабиғи оксид жоқ: кремнийдің SiO₂-дан айырмашылығы, GaAs/InP-де тұрақты оксидтер жоқ, бұл жоғары тығыздықтағы IC өндірісіне кедергі келтіреді.
Негізгі қолданбалар
лРЖ фронтальды ұштары:
Мобильді қуат күшейткіштері (PA), спутниктік трансиверлер (мысалы, GaAs негізіндегі HEMT транзисторлары).
лОптоэлектроника:
Лазерлік диодтар (CD/DVD дискілері), жарық диодтары (қызыл/инфрақызыл), талшықты-оптикалық модульдер (InP лазерлері).
лҒарыштық күн батареялары:
GaAs ұяшықтары 30% тиімділікке қол жеткізеді (кремний үшін ~20% салыстырғанда), жерсерік үшін өте маңызды.
лТехнологиялық кедергілер
Жоғары шығындар GaAs/InP-ті жоғары деңгейлі қосымшаларға шектейді, бұл олардың логикалық чиптерде кремнийдің үстемдігін ығыстыруына жол бермейді.
Үшінші буын жартылай өткізгіштер (кең жолақты жартылай өткізгіштер): кремний карбиді (SiC) және галий нитриді (GaN)
Технологиялық драйверлер
Энергия төңкерісі: Электрлік көліктер мен жаңартылатын энергия желілерін біріктіру тиімдірек қуат құрылғыларын талап етеді.
Жоғары жиілікті қажеттіліктер: 5G байланысы мен радар жүйелері жоғары жиіліктер мен қуат тығыздығын қажет етеді.
Төтенше орталар: аэроғарыштық және өнеркәсіптік қозғалтқыш қолданбалары 200°C-ден асатын температураға төтеп бере алатын материалдарды қажет етеді.
Материалдық сипаттамалар
Кең диапазонның артықшылықтары:
лSiC: жолақ аралығы 3,26эВ, бұзылу электр өрісінің кернеулігі кремнийдікінен 10×, 10кВ жоғары кернеулерге төтеп беруге қабілетті.
лGaN: 3,4эВ жолақ аралығы, 2200 см²/(V·с) электрондардың қозғалғыштығы, жоғары жиілікті өнімділікте тамаша.
Жылулық басқару:
SiC жылу өткізгіштігі 4,9 Вт/(см·К) жетеді, бұл кремнийден үш есе жақсы, бұл оны жоғары қуатты қолданбалар үшін өте қолайлы етеді.
Материалдық қиындықтар
SiC: монокристалды баяу өсу үшін 2000°C-тан жоғары температура қажет, бұл пластинаның ақауларына және жоғары шығындарға әкеледі (6 дюймдік SiC пластинасы кремнийге қарағанда 20 есе қымбат).
GaN: табиғи субстрат жетіспейді, көбінесе сапфир, SiC немесе кремний субстраттарында гетероепитаксияны қажет етеді, бұл тордың сәйкес келмеу мәселелеріне әкеледі.
Негізгі қолданбалар
Қуат электроникасы:
EV инверторлары (мысалы, Tesla Model 3 SiC MOSFET пайдаланады, тиімділікті 5–10% арттырады).
Жылдам зарядтау станциялары/адаптерлері (GaN құрылғылары өлшемді 50%-ға азайта отырып, 100 Вт+ жылдам зарядтауға мүмкіндік береді).
РЖ құрылғылары:
5G базалық станциясының қуат күшейткіштері (GaN-on-SiC PAs mmWave жиіліктерін қолдайды).
Әскери радар (GaN GaAs қуатының 5 × тығыздығын ұсынады).
Оптоэлектроника:
Ультракүлгін жарықдиодты шамдар (стерильдеу және су сапасын анықтау үшін қолданылатын AlGaN материалдары).
Саланың жағдайы және болашаққа болжамы
SiC жоғары қуатты нарықта үстемдік етеді, автомобильдік модульдер қазірдің өзінде жаппай өндірісте, бірақ шығындар кедергі болып қала береді.
GaN тұтынушылық электроникада (жылдам зарядтау) және RF қолданбаларында 8 дюймдік вафлилерге ауыса отырып, жылдам кеңейеді.
Галий оксиді (Ga₂O₃, жолақ аралығы 4,8эВ) және алмас (5,5эВ) сияқты жаңадан пайда болған материалдар жартылай өткізгіштердің «төртінші буынын» 20кВ-тан асатын кернеу шегін итермелеуі мүмкін.
Жартылай өткізгіш ұрпақтардың қатар өмір сүруі және синергиясы
Алмастыру емес, толықтыру:
Кремний логикалық чиптер мен тұтынушылық электроникада (әлемдік жартылай өткізгіштер нарығының 95%) үстем болып қалады.
GaAs және InP жоғары жиілікті және оптоэлектронды тауашалар бойынша маманданған.
SiC/GaN энергетикалық және өнеркәсіптік қолдануда алмастырылмайды.
Технологиялық интеграция мысалдары:
GaN-on-Si: жылдам зарядтау және RF қолданбалары үшін GaN-ті арзан кремний субстраттарымен біріктіреді.
SiC-IGBT гибридті модульдері: торды түрлендіру тиімділігін арттырыңыз.
Болашақ трендтер:
Гетерогенді интеграция: өнімділік пен бағаны теңестіру үшін материалдарды (мысалы, Si + GaN) бір чипте біріктіру.
Ультра кең диапазонды материалдар (мысалы, Ga₂O₃, алмаз) ультра жоғары вольтты (>20кВ) және кванттық есептеу қолданбаларын қосуы мүмкін.
Қатысты өндіріс
GaAs лазерлік эпитаксиалды пластинасы 4 дюйм 6 дюйм
12 дюймдік SIC субстраты кремний карбиді бірінші дәрежелі диаметрі 300 мм үлкен өлшем 4H-N Жоғары қуатты құрылғының жылуын таратуға жарамды
Хабарлама уақыты: 07 мамыр 2025 ж