Ярымүткәргеч материаллар өч трансформатив буын аша үсә:
1-нче Ген (Si / Ge) заманча электрониканың нигезен салды,
2-нче Ген (GaAs / InP) оптоэлектрон һәм информацион революцияне көчәйтү өчен югары ешлыклы киртәләрне кичерде,
3-нче Ген (SiC / GaN) хәзер энергия һәм экстремаль экологик проблемаларны чишә, углерод битарафлыгын һәм 6G чорын булдыра.
Бу алгарыш парадигманың күпкырлы булудан материаль фән белгечлегенә күчүен күрсәтә.
1. Беренче буын ярымүткәргечләр: Кремний (Si) һәм Германий (Ge)
Тарихи мәгълүмат
1947-нче елда, Bell Labs ярымүткәргеч чоры таңын билгеләп, германий транзисторын уйлап тапты. 1950-нче елларда кремний әкрен-әкрен германийны интеграль схемалар (IC) нигезе итеп алыштырды, аның тотрыклы оксид катламы (SiO₂) һәм мул табигый запаслары аркасында.
Материаль үзенчәлекләр
ⅠБандагап:
Германий: 0.67eV (тар тасма, агып торган ток, югары температураның начар эшләве).
Кремний: 1.12eV (турыдан-туры тасма, логик схемалар өчен яраклы, ләкин яктылык җибәрә алмый).
Ⅱ、Кремнийның өстенлекләре:
Табигый рәвештә MOSFET ясарга мөмкинлек бирүче югары сыйфатлы оксид (SiO₂) барлыкка китерә.
Арзан бәя һәм җир мул (кабык составының% 28%).
Ⅲ、Чикләүләр:
Түбән электрон хәрәкәтчәнлеге (бары тик 1500 см² / (V · s)), югары ешлыклы эшне чикли.
Зәгыйфь көчәнеш / температура толерантлыгы (максималь эш температурасы. ~ 150 ° C).
Төп кушымталар
Ⅰ、Интеграль схемалар (IC):
Uзәк эшкәрткеч җайланмалар, хәтер чиплары (мәсәлән, DRAM, NAND) югары интеграция тыгызлыгы өчен кремнийга таяналар.
Мисал: Intel'ның 4004 (1971), беренче коммерция микропроцессоры, 10μм кремний технологиясен кулланган.
Ⅱ、Энергия җайланмалары:
Баштагы тиристорлар һәм аз көчәнешле MOSFETлар (мәсәлән, компьютер электр белән тәэмин итү) кремнийга нигезләнгән.
Авырлыклар һәм искерү
Германий агып чыгу һәм җылылык тотрыксызлыгы аркасында этапланган. Ләкин, оптоэлектроникадагы кремнийның чикләнүе һәм югары көчле кушымталар киләсе ген ярымүткәргечләр үсешенә этәргеч бирделәр.
2-Икенче буын ярымүткәргечләр: Галлиум Арсенид (GaAs) һәм Индий Фосфид (InP)
Developmentсеш фоны
1970-80 елларда мобиль элемтә, оптик җепсел челтәрләре, спутник технологияләре кебек барлыкка килүче өлкәләр югары ешлыклы һәм эффектив оптоэлектрон материалларга зур сорау тудырдылар. Бу GaAs һәм InP кебек туры тасма ярымүткәргечләрнең алга китүенә этәргеч бирде.
Материаль үзенчәлекләр
Bandgap & Optoelectronic Performance:
GaAs: 1.42eV (туры тасма, яктылык чыгарырга мөмкинлек бирә - лазерлар / светофорлар өчен идеаль).
InP: 1.34eV (озын дулкынлы кушымталар өчен яхшырак, мәсәлән, 1550нм җепселле-оптик элемтә).
Электрон хәрәкәт:
GaAs 8500 см² / (V · s) ирешә, кремнийдан (1500 см² / (V · s)) узып, ГГц диапазонын эшкәртү өчен оптималь итә.
Кимчелекләр
lВатык субстратлар: кремнийга караганда җитештерү авыррак; GaAs вафиннары 10 × кыйммәтрәк.
lТуган оксид юк: Кремнийның SiO₂дан аермалы буларак, GaAs / InP тотрыклы оксидлар җитми, югары тыгызлыктагы IC ясалышына комачаулый.
Төп кушымталар
lRF Front-Ends:
Кәрәзле көч көчәйткечләр (ПА), спутник транссиверлары (мәсәлән, GaAs нигезендә HEMT транзисторлары).
lОптоэлектроника:
Лазер диодлары (CD / DVD саклагычлар), светофорлар (кызыл / инфракызыл), оптик-оптик модульләр (InP лазерлары).
lКосмик кояш күзәнәкләре:
GaAs күзәнәкләре 30% эффективлыкка ирешәләр (кремний өчен% 20%), иярченнәр өчен бик мөһим.
lТехнологик шешәләр
Costsгары чыгымнар GaAs / InP-ны югары дәрәҗәдәге кушымталар белән чиклиләр, логик чипларда кремнийның өстенлеген алыштырмыйлар.
Өченче буын ярымүткәргечләр (киң-бандгап ярымүткәргечләр): Кремний Карбид (SiC) һәм Галлиум Нитрид (GaN)
Технология йөртүчеләре
Энергия революциясе: Электр машиналары һәм яңартыла торган энергия челтәрен интеграцияләү эффектив электр җайланмаларын таләп итә.
Gгары ешлык ихтыяҗлары: 5G элемтә һәм радар системалары югары ешлыкларны һәм көч тыгызлыгын таләп итә.
Экстремаль мохит: Аэрокосмик һәм сәнәгать мотор кушымталары 200 ° C тан артык температураларга каршы тора ала торган материалларга мохтаҗ.
Материаль характеристика
Киң бандгап өстенлекләре:
lSiC: 3,26eV диапазоны, электр кырының көче 10 × кремний көче, 10кВтан артык көчәнешләргә каршы тора ала.
lGaN: 3,4eV бандгап, 2200 см² / (V · s) электрон хәрәкәтчәнлеге, югары ешлыктагы эштә яхшы.
Rылылык белән идарә итү:
SiC җылылык үткәрүчәнлеге 4,9 Вт / (см · К) җитә, кремнийга караганда өч тапкыр яхшырак, аны югары көчле кушымталар өчен идеаль итә.
Материаль проблемалар
SiC: Бер кристаллның әкрен үсеше 2000 ° C-тан югары температура таләп итә, нәтиҗәдә вафер җитешсезлекләре һәм зур чыгымнар (6 дюймлы SiC вафин кремнийга караганда 20 × кыйммәт).
GaN: Табигый субстрат җитми, еш кына сапфирда, SiC яки кремний субстратларында гетероепитакси таләп ителә, бу такталарның туры килмәвенә китерә.
Төп кушымталар
Электроника:
EV инвертерлары (мәсәлән, Тесла Модель 3 SiC MOSFET куллана, эффективлыкны 5-10% ка күтәрә).
Тиз корылма станцияләре / адаптерлар (GaN җайланмалары 100W + тиз зарядлау мөмкинлеген бирә, шул ук вакытта зурлыкны 50% ка киметә).
RF җайланмалары:
5G төп станция көче көчәйткечләре (GaN-on-SiC PAs mmWave ешлыкларын тәэмин итә).
Хәрби радар (GaN 5 × GaAs көченең тыгызлыгын тәкъдим итә).
Оптоэлектроника:
UV яктырткычлары (стерилизациядә һәм су сыйфатын ачыклауда кулланылган AlGaN материаллары).
Сәнәгать торышы һәм киләчәккә караш
SiC югары көчле базарда өстенлек итә, автомобиль класслы модульләр инде күпләп җитештерүдә, чыгымнар киртә булып кала.
GaN кулланучылар электроникасында (тиз корылма) һәм RF кушымталарында тиз киңәя, 8 дюймлы ваферларга күчә.
Галлий оксиды (Ga₂O₃, 4,8eV) һәм бриллиант (5.5eV) кебек барлыкка килүче материаллар ярымүткәргечләрнең "дүртенче буыны" формалаштырырга мөмкин, көчәнеш чикләрен 20кВтан арттыра.
Ярымүткәргеч буыннарның бергә яшәве һәм синергиясе
Тәмамлау, алыштыру түгел:
Кремний логик чипларда һәм кулланучылар электроникасында өстенлек итә (глобаль ярымүткәргеч базарының 95%).
GaAs һәм InP югары ешлыклы һәм оптоэлектроник урыннарда махсуслашалар.
SiC / GaN энергия һәм сәнәгать кушымталарында алыштыргысыз.
Технология интеграциясе мисаллары:
GaN-on-Si: GaNны тиз корылма һәм RF кушымталары өчен аз чыгымлы кремний субстратлары белән берләштерә.
SiC-IGBT гибрид модульләре: Челтәр конверсия эффективлыгын күтәрү.
Киләчәк тенденцияләр:
Гетероген интеграция: материалларны (мәсәлән, Si + GaN) бер чипта җитештерү һәм бәяне баланслау өчен берләштерү.
Ультра киң киңлектәге материаллар (мәсәлән, Ga₂O₃, бриллиант) ультра югары көчәнешле (> 20кВ) һәм квант исәпләү кушымталарын эшли ала.
Бәйләнешле җитештерү
GaAs лазер эпитаксиаль вафер 4 дюйм 6 дюйм
12 дюймлы СИС субстрат кремний карбид төп класс диаметры 300 мм зурлыктагы 4H-N powerгары җайланма җылылык тарату өчен яраклы.
Пост вакыты: 07-2025 май