ערשטע דור צווייטע דור דריטע דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן

האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן האָבן זיך עוואַלוציאָנירט דורך דריי טראַנספאָרמאַטיווע דורות:

ערשטע דור (Si/Ge) האט געלייגט דעם יסוד פון מאָדערנער עלעקטראָניק,

צווייטע דור (GaAs/InP) האט דורכגעבראָכן אָפּטאָעלעקטראָניק און הויך-פרעקווענץ באַריערן צו שטאַרקן די אינפֿאָרמאַציע רעוואָלוציע,

דריטע דור (SiC/GaN) באהאנדלט איצט ענערגיע און עקסטרעמע-סביבה טשאַלאַנדזשיז, ערמעגלעכנדיק טשאַד-נייטראַליטעט און 6G תקופה.

די פּראָגרעסיע אַנטפּלעקט אַ פּאַראַדיגם-וועקסל פֿון פֿילזײַטיקייט צו ספּעציאַליזאַציע אין מאַטעריאַל וויסנשאַפֿט.

1. ערשטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָרן: סיליקאָן (Si) און דזשערמאַניום (Ge)

היסטאָרישער הינטערגרונט

אין 1947, האט בעל לאַבס אויסגעטראַכט דעם דזשערמאַניאַם טראַנזיסטאָר, וואָס האָט אָנגעצייכנט דעם אָנהייב פֿון דער האַלב-קאָנדוקטאָר תקופה. ביז די 1950ער יאָרן, האָט סיליקאָן ביסלעכווייַז ערזעצט דזשערמאַניאַם ווי די יסוד פֿון אינטעגרירטע קרייזן (ICs) צוליב זײַן סטאַבילער אָקסייד שיכט (SiO₂) און גרויסע נאַטירלעכע רעזערוון.

מאַטעריאַלע אייגנשאַפטן

Ⅰבאַנדגאַפּ:

דזשערמאניום: 0.67 eV (שמאָל באַנדגאַפּ, אונטערטעניק צו ליקאַדזש קראַנט, שלעכט הויך-טעמפּעראַטור פאָרשטעלונג).

סיליקאָן: 1.12 eV (אומדירעקט באַנדגאַפּ, פּאַסיק פֿאַר לאָגיק קרייזן אָבער נישט פֿעיִק צו ליכט אויסשטראַלן).

Ⅱ,מעלות פון סיליקאָן:

נאַטירלעך שאַפט אַ הויך-קוואַליטעט אָקסייד (SiO₂), וואָס ערמעגליכט MOSFET פאַבריקאַציע.

נידעריק קאָסטן און ערד-רייך (~28% פון קרוסטאַל קאַמפּאַזישאַן).

דריט,לימיטאַציעס:

נידעריגע עלעקטראָן מאָביליטעט (נאָר 1500 קוביק סענטימעטער/(V·s)), וואָס באַגרענעצט הויך-פרעקווענץ פאָרשטעלונג.

שוואַכע וואָולטאַזש/טעמפּעראַטור טאָלעראַנץ (מאַקסימום אַפּערייטינג טעמפּעראַטור ~150°C).

שליסל אַפּליקאַציעס

Ⅰ,אינטעגרירטע קרייזן (ICs):

CPUs, זכּרון טשיפּס (למשל, DRAM, NAND) פאַרלאָזן זיך אויף סיליקאָן פֿאַר אַ הויכע אינטעגראַציע געדיכטקייט.

בייַשפּיל: אינטעל'ס 4004 (1971), דער ערשטער קאמערציעלער מיקראָפּראָסעסאָר, האָט גענוצט 10μm סיליקאָן טעכנאָלאָגיע.

Ⅱ,מאַכט דעוויסעס:

פריע טהיריסטארן און נידעריק-וואָולטידזש MOSFETs (למשל, פּיסי מאַכט סאַפּלייז) זענען געווען סיליקאָן-באַזירט.

טשאַלאַנדזשעז און פאַרעלטערטקייט

דזשערמאניום איז אויסגעפאזט געווארן צוליב ליקאדזש און טערמישע אומסטאביליטעט. אבער, סיליקאן'ס באגרענעצונגען אין אפטאעלעקטראניק און הויך-מאכט אפליקאציעס האבן געפירט צו דער אנטוויקלונג פון נעקסט-דזשענעראציע האלב-קאנדוקטארן.

צווייטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָרן: גאַליום אַרסעניד (GaAs) און אינדיום פאָספֿיד (InP)

אַנטוויקלונג הינטערגרונט

בעת די 1970ער-1980ער יארן, האבן אויפקומענדיקע פעלדער ווי מאבילע קאמוניקאציע, אפטישע פיבער נעטוואורקס, און סאטעליט טעכנולוגיע געשאפן א דרינגענדיקע פארלאנג פאר הויך-פרעקווענץ און עפעקטיווע אפטאלעקטראנישע מאטעריאלן. דאס האט געטריבן דעם פארשריט פון דירעקטע באנדגאפ האלב-קאנדוקטארן ווי GaAs און InP.

מאַטעריאַלע אייגנשאַפטן

באַנדגאַפּ און אָפּטאָעלעקטראָניק פאָרשטעלונג:

GaAs: 1.42eV (דירעקט באַנדגאַפּ, ערמעגליכט ליכט אויסשטראַלונג—אידעאַל פֿאַר לייזערס/LEDs).

InP: 1.34eV (בעסער פּאַסיק פֿאַר לאַנג-כוואַליע לענג אַפּלאַקיישאַנז, למשל, 1550nm פיבער-אָפּטישע קאָמוניקאַציע).

עלעקטראָן מאָביליטעט:

GaAs דערגרייכט 8500 קוביק סענטימעטער/(V·s), וואָס איז פיל גרעסער ווי סיליקאָן (1500 קוביק סענטימעטער/(V·s)), מאַכנדיג עס אָפּטימאַל פֿאַר סיגנאַל פּראַסעסינג אין די GHz-קייט.

חסרונות

לשוואַכע סאַבסטראַטן: שווערער צו פאַבריצירן ווי סיליקאָן; GaAs וועיפערס קאָסטן 10 מאָל מער.

לקיין נאַטירלעכער אָקסייד: ניט ווי סיליקאָן'ס SiO₂, GaAs/InP פעלן סטאַבילע אָקסיידן, וואָס שטערט הויך-געדיכטקייט IC פאַבריקאַציע.

שליסל אַפּליקאַציעס

לRF פראָנט-ענדס:

מאָבילע מאַכט אַמפּליפייערז (PAs), סאַטעליט טראַנססיוויווערס (למשל, GaAs-באַזירטע HEMT טראַנזיסטאָרן).

לאָפּטאָעלעקטראָניק:

לאַזער דיאָדעס (CD/DVD דרייווז), על-אי-דיס (רויט/אינפֿראַרויט), פֿיבער-אָפּטישע מאָדולן (InP לאַזערס).

לספעיס זונ - צעלן:

GaAs צעלן דערגרייכן 30% עפעקטיווקייט (קעגן ~20% פֿאַר סיליקאָן), קריטיש פֿאַר סאַטעליטן. 

לטעקנאַלאַדזשיקאַלע פלאַשנעקס

הויכע קאסטן באגרענעצן GaAs/InP צו נישע הויך-ענד אַפּלאַקיישאַנז, פאַרהיטנדיק זיי פון דיספּלייס סיליקאָן'ס דאָמינאַנץ אין לאָגיק טשיפּס.

דריטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָרן (ברייט-באַנדגאַפּ האַלב-קאָנדוקטאָרן): סיליקאָן קאַרבייד (SiC) און גאַליום ניטריד (GaN)

טעכנאָלאָגיע דרייווערס

ענערגיע רעוואלוציע: עלעקטרישע וועהיקלעס און רינואַבאַל ענערגיע גריד אינטעגראַציע פאָדערן מער עפעקטיוו מאַכט דעוויסעס.

הויך-פרעקווענץ באדערפענישן: 5G קאָמוניקאַציע און ראַדאַר סיסטעמען דאַרפן העכערע פרעקווענצן און מאַכט געדיכטקייט.

עקסטרעמע סביבות: לופטפארט און אינדוסטריעלע מאָטאָר אַפּליקאַציעס דאַרפן מאַטעריאַלן וואָס קענען אַנטקעגנשטעלן טעמפּעראַטורן העכער 200°C.

מאַטעריאַלע קעראַקטעריסטיקס

ברייט באַנדגאַפּ אַדוואַנטאַגעס:

לSiC: באַנדגאַפּ פון 3.26 eV, ברייקדאַון עלעקטריש פעלד שטאַרקייט 10× די פון סיליקאָן, טויגעוודיק צו וויטשטיין וואָולטאַדזשאַז איבער 10kV.

לGaN: באַנדגאַפּ פון 3.4 eV, עלעקטראָן מאָביליטי פון 2200 cm²/(V·s), אויסגעצייכנט אין הויך-פרעקווענץ פאָרשטעלונג.

טערמישע פאַרוואַלטונג:

SiC'ס טערמישע קאַנדאַקטיוויטי דערגרייכט 4.9 W/(cm·K), דריי מאָל בעסער ווי סיליקאָן, מאַכנדיג עס ידעאַל פֿאַר הויך-מאַכט אַפּלאַקיישאַנז.

מאַטעריאַלע אַרויסרופן

SiC: לאנגזאמע איינציק-קריסטאל וואוקס פארלאנגט טעמפעראטורן העכער 2000°C, וואס רעזולטירט אין וועיפער חסרונות און הויכע קאסטן (א 6-אינטש SiC וועיפער איז 20 מאל טייערער ווי סיליקאן).

GaN: פעלט א נאטירלעכן סאַבסטראַט, אָפט ריקווייערז העטעראָעפּיטאַקסי אויף סאַפייער, SiC, אָדער סיליקאָן סאַבסטראַטן, וואָס פירט צו גיטער מיסמאַטש פּראָבלעמען.

שליסל אַפּליקאַציעס

מאַכט עלעקטראָניק:

EV ינווערטערס (למשל, טעסלאַ מאָדעל 3 ניצט SiC MOSFETs, פֿאַרבעסערנדיק עפֿעקטיוויטעט מיט 5-10%).

שנעל-אויפֿלאָדן סטאַנציעס/אַדאַפּטערס (GaN דעוויסעס ערמעגלעכן 100W+ שנעל-אויפֿלאָדן בשעת זיי רעדוצירן די גרייס מיט 50%).

RF דעוויסעס:

5G באַזע סטאַנציע מאַכט אַמפּליפייערז (GaN-אויף-SiC PAs שטיצן mmWave פרעקווענצן).

מיליטערישער ראַדאַר (GaN אָפפערט 5× די מאַכט געדיכטקייט פון GaAs).

אָפּטאָעלעקטראָניק:

UV LEDs (AlGaN מאַטעריאַלן געניצט אין סטעריליזאַציע און וואַסער קוואַליטעט דעטעקשאַן).

אינדוסטריע סטאַטוס און צוקונפֿט אויסזיכט

SiC דאמינירט דעם הויך-מאַכט מאַרק, מיט אויטאָמאָטיוו-גראַד מאָדולן שוין אין מאַסע פּראָדוקציע, כאָטש קאָסטן בלייבן אַ באַריערע.

GaN וואַקסט שנעל אין קאָנסומער עלעקטראָניק (שנעל טשאַרדזשינג) און RF אַפּלאַקיישאַנז, און גייט איבער צו 8-אינטש וועיפערס.

אויפקומענדיקע מאַטעריאַלן ווי גאַליום אָקסייד (Ga₂O₃, באַנדגאַפּ 4.8eV) און דיאַמאָנט (5.5eV) קענען פֿאָרמען אַ "פֿערטע דור" פֿון האַלב-קאָנדוקטאָרן, שטופּנדיק וואָלטאַזש לימיטן ווײַטער פֿון 20kV.

קאָעקזיסטענץ און סינערגיע פון ​​האַלב-קאָנדוקטאָר דורות

קאָמפּלעמענטאַריטעט, נישט פאַרבייַט:

סיליקאָן בלייבט דאָמינאַנט אין לאָגיק טשיפּס און קאָנסומער עלעקטראָניק (95% פון די גלאבאלע האַלב-קאָנדוקטאָר מאַרק).

GaAs און InP ספּעציאַליזירן זיך אין הויך-פרעקווענץ און אָפּטאָעלעקטראָניק נישעס.

SiC/GaN זענען אומפארטרעטלעך אין ענערגיע און אינדוסטריעלע אנווענדונגען.

טעכנאָלאָגיע אינטעגראַציע ביישפילן:

GaN-אויף-Si: קאָמבינירט GaN מיט ביליקע סיליקאָן סאַבסטראַטן פֿאַר שנעל טשאַרדזשינג און RF אַפּלאַקיישאַנז.

SiC-IGBT כייבריד מאָדולן: פֿאַרבעסערן גריד קאַנווערזשאַן עפעקטיווקייט.

צוקונפֿטיקע טרענדס:

העטעראגענע אינטעגראציע: קאמבינירן מאטעריאלן (למשל, Si + GaN) אויף איין טשיפּ צו באַלאַנסירן פאָרשטעלונג און קאָסטן.

אולטרא-ברייטע באַנדגאַפּ מאַטעריאַלן (למשל, Ga₂O₃, דיאַמאָנט) קענען ערמעגלעכן אולטרא-הויך-וואָולטידזש (>20kV) און קוואַנטום קאָמפּיוטינג אַפּליקאַציעס.

פֿאַרבונדענע פּראָדוקציע

GaAs לאַזער עפּיטאַקסיאַל וועיפער 4 אינטש 6 אינטש

12 אינטש סיק סאַבסטראַט סיליקאָן קאַרבייד פּריים גראַד דיאַמעטער 300 מם גרויס גרייס 4H-N פּאַסיק פֿאַר הויך מאַכט מיטל היץ דיסיפּיישאַן