პირველი თაობა მეორე თაობა მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალები

ნახევარგამტარული მასალები სამი ტრანსფორმაციული თაობის მეშვეობით განვითარდა:

პირველმა თაობამ (Si/Ge) თანამედროვე ელექტრონიკის საფუძველი ჩაუყარა.

მე-2 თაობამ (GaAs/InP) გაარღვია ოპტოელექტრონული და მაღალი სიხშირის ბარიერები და ინფორმაციული რევოლუცია განახორციელა.

მესამე თაობა (SiC/GaN) ახლა უმკლავდება ენერგეტიკულ და ექსტრემალურ გარემო გამოწვევებს, რაც ხელს უწყობს ნახშირბადის ნეიტრალიტეტს და 6G ერას.

ეს პროგრესია ავლენს პარადიგმის ცვლილებას მრავალფეროვნებიდან მატერიალურ მეცნიერებაში სპეციალიზაციაზე.

1. პირველი თაობის ნახევარგამტარები: სილიციუმი (Si) და გერმანიუმი (Ge)

ისტორიული ფონი

1947 წელს Bell Labs-მა გამოიგონა გერმანიუმის ტრანზისტორი, რითაც ნახევარგამტარების ერის დასაწყისი დაიწყო. 1950-იანი წლებისთვის, სილიციუმმა თანდათანობით ჩაანაცვლა გერმანიუმი, როგორც ინტეგრირებული სქემების (ICs) საფუძველი, მისი სტაბილური ოქსიდის ფენის (SiO₂) და უხვი ბუნებრივი რეზერვების წყალობით.

მასალის თვისებები

Ⅰზოლის გათიშვა:

გერმანიუმი: 0.67 eV (ვიწრო ზოლი, გაჟონვის დენისადმი მიდრეკილება, ცუდი მაღალტემპერატურული მახასიათებლები).

სილიციუმი: 1.12 eV (არაპირდაპირი ზოლი, შესაფერისია ლოგიკური სქემებისთვის, მაგრამ არ შეუძლია სინათლის გამოსხივება).

Ⅱ,სილიკონის უპირატესობები:

ბუნებრივად წარმოქმნის მაღალი ხარისხის ოქსიდს (SiO₂), რაც MOSFET-ის დამზადების საშუალებას იძლევა.

დაბალი ღირებულება და დედამიწაზე სიუხვე (ქერქის შემადგენლობის ~28%).

Ⅲ,შეზღუდვები:

დაბალი ელექტრონების მობილურობა (მხოლოდ 1500 სმ²/(V·s)), რაც ზღუდავს მაღალსიხშირულ მუშაობას.

სუსტი ძაბვის/ტემპერატურის ტოლერანტობა (მაქსიმალური სამუშაო ტემპერატურა ~150°C).

ძირითადი აპლიკაციები

Ⅰ,ინტეგრირებული სქემები (IC):

ცენტრალური პროცესორები, მეხსიერების ჩიპები (მაგ., DRAM, NAND) მაღალი ინტეგრაციის სიმკვრივისთვის სილიკონზე არიან დამოკიდებული.

მაგალითი: Intel-ის 4004 (1971), პირველი კომერციული მიკროპროცესორი, იყენებდა 10 მკმ სილიციუმის ტექნოლოგიას.

Ⅱ,კვების მოწყობილობები:

ადრეული ტირისტორები და დაბალი ძაბვის MOSFET-ები (მაგ., კომპიუტერის კვების წყაროები) სილიკონზე იყო დაფუძნებული.

გამოწვევები და მოძველება

გერმანიუმი თანდათანობით ამოიღეს გაჟონვისა და თერმული არასტაბილურობის გამო. თუმცა, ოპტოელექტრონიკასა და მაღალი სიმძლავრის გამოყენებაში სილიციუმის შეზღუდვებმა ახალი თაობის ნახევარგამტარების განვითარება გამოიწვია.

2მეორე თაობის ნახევარგამტარები: გალიუმის არსენიდი (GaAs) და ინდიუმის ფოსფიდი (InP)

განვითარების ფონი

1970-იან და 1980-იან წლებში, ისეთი ახალი სფეროების გაჩენამ, როგორიცაა მობილური კომუნიკაციები, ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ქსელები და თანამგზავრული ტექნოლოგია, შექმნა მაღალი სიხშირის და ეფექტური ოპტოელექტრონული მასალების მოთხოვნა. ამან ხელი შეუწყო ისეთი პირდაპირი ზოლური უფსკრულის მქონე ნახევარგამტარების განვითარებას, როგორიცაა GaAs და InP.

მასალის თვისებები

ზოლის დიაპაზონი და ოპტოელექტრონული შესრულება:

GaAs: 1.42 eV (პირდაპირი ზოლური უფსკრული, უზრუნველყოფს სინათლის გამოსხივებას - იდეალურია ლაზერებისთვის/LED-ებისთვის).

InP: 1.34 eV (უფრო შესაფერისია გრძელი ტალღის სიგრძის აპლიკაციებისთვის, მაგ., 1550 ნმ ბოჭკოვანი ოპტიკური კომუნიკაციებისთვის).

ელექტრონების მობილურობა:

GaAs აღწევს 8500 სმ²/(V·s)-ს, რაც გაცილებით აღემატება სილიკონს (1500 სმ²/(V·s)), რაც მას ოპტიმალურს ხდის GHz დიაპაზონის სიგნალის დამუშავებისთვის.

ნაკლოვანებები

ლმყიფე სუბსტრატები: წარმოება უფრო რთულია, ვიდრე სილიკონის; GaAs ვაფლები 10-ჯერ მეტი ღირს.

ლმშობლიური ოქსიდის არარსებობა: სილიციუმის SiO₂-სგან განსხვავებით, GaAs/InP-ს არ გააჩნია სტაბილური ოქსიდები, რაც ხელს უშლის მაღალი სიმკვრივის ინტეგრალური სქემის დამზადებას.

ძირითადი აპლიკაციები

ლRF წინა არხები:

მობილური სიმძლავრის გამაძლიერებლები (PA), თანამგზავრული გადამცემ-მიმღებები (მაგ., GaAs-ზე დაფუძნებული HEMT ტრანზისტორები).

ლოპტოელექტრონიკა:

ლაზერული დიოდები (CD/DVD დისკები), LED-ები (წითელი/ინფრაწითელი), ბოჭკოვანი ოპტიკური მოდულები (InP ლაზერები).

ლკოსმოსური მზის უჯრედები:

GaAs ელემენტები 30%-იან ეფექტურობას აღწევენ (სილიციუმის ~20%-იან ეფექტურობასთან შედარებით), რაც სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია თანამგზავრებისთვის. 

ლტექნოლოგიური შეფერხებები

მაღალი ფასები GaAs/InP-ს მხოლოდ მაღალი კლასის აპლიკაციების ნიშურ ხასიათს აკისრებს, რაც მათ ლოგიკურ ჩიპებში სილიკონის დომინირების ჩანაცვლებაში უშლის ხელს.

მესამე თაობის ნახევარგამტარები (ფართოზოლოვანი ნახევარგამტარები): სილიციუმის კარბიდი (SiC) და გალიუმის ნიტრიდი (GaN)

ტექნოლოგიური მამოძრავებელი ფაქტორები

ენერგეტიკული რევოლუცია: ელექტრომობილები და განახლებადი ენერგიის ქსელში ინტეგრაცია უფრო ეფექტურ ენერგომოწყობილობებს მოითხოვს.

მაღალი სიხშირის საჭიროებები: 5G კომუნიკაციებისა და რადარის სისტემები მოითხოვს უფრო მაღალ სიხშირეებს და სიმძლავრის სიმკვრივეს.

ექსტრემალური გარემო: აერონავტიკისა და სამრეწველო ძრავების გამოყენებისთვის საჭიროა მასალები, რომლებსაც შეუძლიათ 200°C-ზე მეტი ტემპერატურის ატანა.

მასალის მახასიათებლები

ფართო დიაპაზონის უპირატესობები:

ლSiC: 3.26 eV ზოლის ინტერვალი, ელექტრული ველის დაშლის სიძლიერე სილიკონის ელექტრული ველის სიძლიერეზე 10-ჯერ მეტი, გაუძლოს 10 კვ-ზე მეტ ძაბვას.

ლGaN: 3.4 eV ზოლის უფსკრული, 2200 სმ²/(V·s) ელექტრონების მობილურობა, მაღალი სიხშირის მახასიათებლებით გამორჩეული.

თერმული მართვა:

SiC-ის თბოგამტარობა აღწევს 4.9 W/(cm·K)-ს, რაც სამჯერ უკეთესია სილიციუმთან შედარებით, რაც მას იდეალურს ხდის მაღალი სიმძლავრის აპლიკაციებისთვის.

მატერიალური გამოწვევები

SiC: ნელი მონოკრისტალის ზრდისთვის საჭიროა 2000°C-ზე მეტი ტემპერატურა, რაც იწვევს ვაფლის დეფექტებს და მაღალ ფასს (6 დიუმიანი SiC ვაფლი 20-ჯერ უფრო ძვირია, ვიდრე სილიციუმი).

GaN: არ აქვს ბუნებრივი სუბსტრატი, რაც ხშირად მოითხოვს ჰეტეროეპიტაქსიას საფირონის, SiC-ის ან სილიციუმის სუბსტრატებზე, რაც იწვევს ბადისებრი შეუსაბამობის პრობლემებს.

ძირითადი აპლიკაციები

დენის ელექტრონიკა:

ელექტრომობილების ინვერტორები (მაგ., Tesla Model 3 იყენებს SiC MOSFET-ებს, რაც ეფექტურობას 5–10%-ით აუმჯობესებს).

სწრაფი დამუხტვის სადგურები/ადაპტერები (GaN მოწყობილობები უზრუნველყოფენ 100 ვატზე მეტ სწრაფ დატენვას, ამავდროულად 50%-ით ამცირებენ ზომას).

რადიოსიხშირული მოწყობილობები:

5G საბაზო სადგურის სიმძლავრის გამაძლიერებლები (GaN-on-SiC PA-ები მხარს უჭერენ მმ-ტალღურ სიხშირეებს).

სამხედრო რადარი (GaN გთავაზობთ GaAs-თან შედარებით 5-ჯერ მეტ სიმძლავრის სიმკვრივეს).

ოპტოელექტრონიკა:

ულტრაიისფერი LED-ები (AlGaN მასალები, რომლებიც გამოიყენება სტერილიზაციისა და წყლის ხარისხის განსაზღვრისას).

ინდუსტრიის სტატუსი და მომავლის პერსპექტივები

SiC დომინირებს მაღალი სიმძლავრის ბაზარზე, საავტომობილო დონის მოდულები უკვე მასობრივ წარმოებაშია, თუმცა ფასები კვლავ ბარიერად რჩება.

GaN სწრაფად ფართოვდება სამომხმარებლო ელექტრონიკაში (სწრაფი დატენვა) და რადიოსიხშირულ აპლიკაციებში, და გადადის 8 დიუმიან ვაფლებზე.

ისეთი ახალი მასალები, როგორიცაა გალიუმის ოქსიდი (Ga₂O₃, ზოლური უფსკრული 4.8 eV) და ბრილიანტი (5.5 eV), შესაძლოა, ნახევარგამტარების „მეოთხე თაობას“ წარმოადგენდეს, რაც ძაბვის ზღვარს 20 კვ-ს გადააჭარბებს.

ნახევარგამტარული თაობების თანაარსებობა და სინერგია

ურთიერთშემავსებლობა, არა ჩანაცვლება:

სილიციუმი კვლავ დომინანტურია ლოგიკურ ჩიპებსა და სამომხმარებლო ელექტრონიკაში (გლობალური ნახევარგამტარული ბაზრის 95%).

GaAs და InP სპეციალიზირებულნი არიან მაღალი სიხშირის და ოპტოელექტრონული ნიშების სფეროში.

SiC/GaN შეუცვლელია ენერგეტიკასა და სამრეწველო გამოყენებაში.

ტექნოლოგიების ინტეგრაციის მაგალითები:

GaN-on-Si: აერთიანებს GaN-ს დაბალფასიან სილიკონის სუბსტრატებთან სწრაფი დატენვისა და რადიოსიხშირული აპლიკაციებისთვის.

SiC-IGBT ჰიბრიდული მოდულები: ქსელის გარდაქმნის ეფექტურობის გაუმჯობესება.

მომავლის ტენდენციები:

ჰეტეროგენული ინტეგრაცია: მასალების (მაგ., Si + GaN) გაერთიანება ერთ ჩიპზე, რათა დაბალანსდეს შესრულება და ღირებულება.

ულტრაფართო ზოლის მქონე მასალებმა (მაგ., Ga₂O₃, ბრილიანტი) შესაძლოა უზრუნველყოს ულტრამაღალი ძაბვის (>20 კვ) და კვანტური გამოთვლების აპლიკაციების გამოყენება.

დაკავშირებული წარმოება

GaAs ლაზერული ეპიტაქსიური ვაფლი 4 ინჩი 6 ინჩი

12 ინჩიანი SIC სუბსტრატი სილიციუმის კარბიდის პრაიმ კლასის დიამეტრით 300 მმ დიდი ზომის 4H-N შესაფერისია მაღალი სიმძლავრის მოწყობილობის სითბოს გაფრქვევისთვის