Жарым өткөргүч материалдар үч өзгөрүүчү муун аркылуу өнүккөн:
1-ген (Si/Ge) заманбап электрониканын пайдубалын түптөгөн,
2-ген (GaAs/InP) маалыматтык революцияны күчтөндүрүү үчүн оптоэлектрондук жана жогорку жыштыктагы тоскоолдуктарды бузуп,
3rd Gen (SiC/GaN) азыр көмүртектин нейтралдуулугуна жана 6G дооруна шарт түзүп, энергетика жана экстремалдык экологиялык көйгөйлөрдү чечет.
Бул прогресс материал таанууда көп тараптуулуктан адистешүүгө парадигманын өзгөрүшүн ачып берет.
1. Биринчи муундагы жарым өткөргүчтөр: кремний (Si) жана германий (Ge)
Тарыхый фон
1947-жылы Bell Labs германий транзисторун ойлоп таап, жарым өткөргүч доорунун таңын белгилеген. 1950-жылдарга карата кремний акырындык менен интегралдык микросхемалардын (ИК) негизи катары германийди алмаштырган, анткени анын туруктуу оксид катмары (SiO₂) жана табигый запастары көп.
Материалдык касиеттери
ⅠТасма тилкеси:
Германий: 0,67eV (тар диапазон, агып кетүү агымына жакын, жогорку температурада начар көрсөткүч).
Кремний: 1,12eV (кыйыр диапазон, логикалык схемалар үчүн ылайыктуу, бирок жарык чыгарууга жөндөмсүз).
Ⅱ、Кремний артыкчылыктары:
Албетте, MOSFET өндүрүшүн камсыз кылуучу жогорку сапаттагы оксидди (SiO₂) түзөт.
Төмөн наркы жана жер-көп (~28% жер кыртышынын курамы).
Ⅲ、Чектөөлөр:
Төмөн электрон кыймылдуулугу (болгону 1500 см²/(V·s)), жогорку жыштыктагы аткарууну чектейт.
Начар чыңалуу/температура толеранттуулук (максималдуу иштөө температурасы. ~150°C).
Негизги колдонмолор
Ⅰ、Интегралдык схемалар (ICs):
Процессорлор, эстутум чиптери (мисалы, DRAM, NAND) интеграциянын жогорку тыгыздыгы үчүн кремнийге таянышат.
Мисал: Intel 4004 (1971), биринчи коммерциялык микропроцессордо 10мкм кремний технологиясы колдонулган.
Ⅱ、Кубаттуу түзмөктөр:
Алгачкы тиристорлор жана төмөнкү вольттогу MOSFETтер (мисалы, компьютердик энергия булактары) кремнийге негизделген.
Кыйынчылыктар жана эскирүү
Германий агып кеткендиктен жана термикалык туруксуздуктан улам жоюлган. Бирок, кремнийдин оптоэлектроникадагы жана жогорку кубаттуулуктагы колдонмолордогу чектөөлөрү кийинки муундагы жарым өткөргүчтөрдүн өнүгүшүнө түрткү болду.
2 Экинчи муундагы жарым өткөргүчтөр: галлий арсениди (GaAs) жана индий фосфиди (InP)
Өнүгүү фон
1970-1980-жылдары уюлдук байланыш, оптикалык була тармактары жана спутниктик технологиялар сыяктуу өнүгүп келе жаткан тармактар жогорку жыштыктагы жана эффективдүү оптоэлектрондук материалдарга суроо-талапты жаратты. Бул GaAs жана InP сыяктуу түз тилкелүү жарым өткөргүчтөрдүн өнүгүшүнө түрткү болду.
Материалдык касиеттери
Bandgap & Optoelektronic Performance:
GaAs: 1.42eV (түз диапазон, жарык чыгарууну камсыз кылат — лазер/LED үчүн идеалдуу).
InP: 1.34eV (узун толкундуу колдонмолор үчүн жакшыраак ылайыктуу, мисалы, 1550нм була-оптикалык байланыш).
Электрондук мобилдүүлүк:
GaAs 8500 см²/(V·s) жетишип, кремнийден (1500 см²/(V·с)) ашып, ГГц диапазонундагы сигналды иштетүү үчүн оптималдуу кылат.
Кемчиликтери
лМорттук субстраттар: кремнийге караганда өндүрүү кыйыныраак; GaAs вафлилери 10 эсе кымбат турат.
лЭч кандай жергиликтүү оксид: кремнийдин SiO₂дан айырмаланып, GaAs/InP туруктуу оксиддери жок, бул жогорку тыгыздыктагы IC түзүүгө тоскоолдук кылат.
Негизги колдонмолор
лRF Front-Ends:
Мобилдик күч күчөткүчтөрү (PA), спутниктик кабыл алгычтар (мисалы, GaAs негизиндеги HEMT транзисторлору).
лОптоэлектроника:
Лазердик диоддор (CD/DVD дисктери), LED (кызыл/инфракызыл), була-оптикалык модулдар (InP лазерлери).
лКосмостук Күн клеткалары:
GaAs клеткалары 30% эффективдүүлүккө жетишет (кремний үчүн ~20%), спутниктер үчүн өтө маанилүү.
лТехнологиялык тоскоолдуктар
Жогорку чыгымдар GaAs/InP-ди жогорку деңгээлдеги тиркемелер менен чектеп, логикалык чиптерде кремнийдин үстөмдүгүн алмаштырууга жол бербейт.
Үчүнчү муундагы жарым өткөргүчтөр (кең тилкелүү жарым өткөргүчтөр): кремний карбиди (SiC) жана галлий нитриди (GaN)
Technology Drivers
Энергия революциясы: Электр унаалары жана энергиянын кайра жаралуучу булактарын бириктирүү натыйжалуураак электр шаймандарын талап кылат.
Жогорку жыштыктагы муктаждыктар: 5G байланышы жана радар системалары жогорку жыштыктарды жана кубаттуулуктун тыгыздыгын талап кылат.
Экстремалдуу чөйрөлөр: Аэрокосмостук жана өнөр жай мотору колдонмолору 200°C ашкан температурага туруштук бере алган материалдарга муктаж.
Материалдык мүнөздөмөлөр
Кең диапазондун артыкчылыктары:
лSiC: диапазону 3,26eV, бузулуу электр талаасынын күчү кремнийдикинен 10×, 10кВ жогору чыңалууга туруштук бере алат.
лGaN: 3,4eV диапазону, электрондун мобилдүүлүгү 2200 см²/(V·s), жогорку жыштыктагы аткарууда мыкты.
Жылуулук башкаруу:
SiCтин жылуулук өткөрүмдүүлүгү 4,9 Вт/(см·К) жетет, кремнийден үч эсе жакшы, бул жогорку кубаттуулуктагы колдонмолор үчүн идеалдуу кылат.
Материалдык кыйынчылыктар
SiC: Жалгыз кристаллдуу өсүш 2000°Cден жогору температураны талап кылат, натыйжада пластинкадагы кемчиликтер жана жогорку чыгымдар (6 дюймдук SiC пластинкасы кремнийге караганда 20 эсе кымбат).
GaN: Табигый субстрат жок, көбүнчө сапфир, SiC же кремний субстраттарында гетероепитаксияны талап кылат, бул торлордун дал келбегендигине алып келет.
Негизги колдонмолор
Электр энергиясы:
EV инверторлору (мисалы, Tesla Model 3 SiC MOSFETтерди колдонот, эффективдүүлүктү 5–10% га жогорулатат).
Тез кубаттоочу станциялар/адаптерлер (GaN түзмөктөрү 100 Вт+ тез кубаттоону иштетип, көлөмүн 50% азайтат).
RF түзмөктөрү:
5G базалык станциясынын күч күчөткүчтөрү (GaN-on-SiC PAлар mmWave жыштыгын колдойт).
Аскердик радар (GaN 5 × GaAs кубаттуулугунун тыгыздыгын сунуш кылат).
Оптоэлектроника:
UV LEDs (стерилдөө жана суунун сапатын аныктоо үчүн колдонулган AlGaN материалдар).
Өнөр жайынын абалы жана келечеги
SiC жогорку кубаттуулуктагы рынокто үстөмдүк кылат, автомобиль классынын модулдары буга чейин эле массалык өндүрүштө, бирок чыгымдар тоскоолдук бойдон калууда.
GaN керектөө электроникасында (тез кубаттоо) жана RF тиркемелеринде тездик менен кеңейип, 8 дюймдук пластинкаларга өтүүдө.
Галий оксиди (Ga₂O₃, диапазону 4,8эВ) жана алмаз (5,5эВ) сыяктуу жаңы пайда болгон материалдар чыңалуунун чегин 20кВдан ашырып, жарым өткөргүчтөрдүн “төртүнчү муунун” түзүшү мүмкүн.
Жарым өткөргүч муундардын чогуу жашоосу жана синергетикасы
Алмаштыруучу эмес, толуктоочу:
Кремний логикалык чиптерде жана керектөө электроникасында үстөмдүк кылууда (дүйнөлүк жарым өткөргүч рыногунун 95%).
GaAs жана InP жогорку жыштыктагы жана оптоэлектрондук ништерге адистешкен.
SiC/GaN энергетикалык жана өнөр жай колдонмолорунда алмаштырылгыс.
Технологиялык интеграциянын мисалдары:
GaN-on-Si: тез кубаттоо жана RF колдонмолору үчүн GaN арзан кремний субстраттары менен айкалыштырат.
SiC-IGBT гибриддик модулдары: Торду конверсиялоонун натыйжалуулугун жогорулатуу.
Келечектеги тенденциялар:
Гетерогендүү интеграция: Бир чипте материалдарды (мисалы, Si + GaN) айкалыштыруу, өндүрүмдүүлүктү жана бааны тең салмактоо.
Ультра кең тилкелүү материалдар (мисалы, Ga₂O₃, алмаз) ультра жогорку вольттогу (>20кВ) жана кванттык эсептөө колдонмолорун иштетиши мүмкүн.
Тиешелүү өндүрүш
GaAs лазердик эпитаксиалдык пластинкасы 4 дюйм 6 дюйм
12 дюймдук SIC субстраты кремний карбидинин башкы классынын диаметри 300мм чоң өлчөмү 4H-N Жогорку кубаттуулуктагы аппараттын жылуулукту таркатуусуна ылайыктуу
Посттун убактысы: 07-2025-май