Хагас дамжуулагч материалууд гурван үе дамжин хувьсан өөрчлөгдөж ирсэн:
1-р үе (Si/Ge) нь орчин үеийн электроникийн үндэс суурийг тавьсан,
2-р үе (GaAs/InP) нь мэдээллийн хувьсгалыг эрчимжүүлэхийн тулд оптоэлектроник болон өндөр давтамжийн саадыг эвдэж,
3-р үе (SiC/GaN) нь одоо эрчим хүч болон хэт туйлширсан байгаль орчны сорилтуудыг шийдвэрлэж, нүүрстөрөгчийн төвийг сахисан байдал болон 6G эрин үеийг бий болгож байна.
Энэхүү дэвшил нь материалын шинжлэх ухааны чиглэлээр олон талт байдлаас мэргэшсэн байдал руу шилжих парадигмын шилжилтийг харуулж байна.
1. Эхний үеийн хагас дамжуулагч: Цахиур (Si) ба Германи (Ge)
Түүхийн үндэслэл
1947 онд Белл Лабс компани германий транзисторыг зохион бүтээсэн нь хагас дамжуулагчийн эриний эхлэлийг тавьсан юм. 1950-иад он гэхэд цахиур нь тогтвортой исэл давхарга (SiO₂) болон байгалийн баялаг ихтэй тул германийг интеграл хэлхээний (IC) үндэс болгон аажмаар орлож байв.
Материалын шинж чанар
ⅠТуузны зай:
Германиум: 0.67eV (нарийн зурвасын зайтай, алдагдал гүйдэлд өртөмтгий, өндөр температурын гүйцэтгэл муу).
Цахиур: 1.12эВ (шууд бус зурвасын зай, логик хэлхээнд тохиромжтой боловч гэрэл ялгаруулах чадваргүй).
2,Силиконы давуу талууд:
Байгалийн гаралтайгаар өндөр чанартай исэл (SiO₂) үүсгэдэг бөгөөд энэ нь MOSFET үйлдвэрлэх боломжийг олгодог.
Бага өртөгтэй бөгөөд дэлхийгээр баялаг (царцдасын найрлагын ~28%).
Ⅲ,Хязгаарлалтууд:
Электроны хөдөлгөөн багатай (ердөө 1500 см²/(V·s)), өндөр давтамжийн гүйцэтгэлийг хязгаарладаг.
Хүчдэл/температурын хүлцэл сул (хамгийн их ажиллах температур ~150°C).
Гол хэрэглээнүүд
Ⅰ,Интеграл хэлхээ (IC):
CPU, санах ойн чип (жишээ нь, DRAM, NAND) нь интеграцийн өндөр нягтралтай байхын тулд цахиурыг ашигладаг.
Жишээ: Анхны арилжааны микропроцессор болох Intel-ийн 4004 (1971) нь 10μm цахиурын технологийг ашигласан.
2,Цахилгаан төхөөрөмжүүд:
Эртний тиристорууд болон бага хүчдэлийн MOSFET-үүд (жишээлбэл, PC тэжээлийн хангамж) нь цахиур дээр суурилсан байв.
Сорилтууд ба хуучиралт
Германиумыг гоожиж, дулааны тогтворгүй байдлаас болж аажмаар хэрэглэхээ больсон. Гэсэн хэдий ч оптоэлектроник болон өндөр хүчин чадлын хэрэглээнд цахиурын хязгаарлалт нь дараагийн үеийн хагас дамжуулагчийн хөгжлийг өдөөсөн.
2Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч: Галлий Арсенид (GaAs) болон Индиум Фосфид (InP)
Хөгжлийн үндэс суурь
1970-1980-аад оны үед гар утасны харилцаа холбоо, шилэн кабелийн сүлжээ, хиймэл дагуулын технологи зэрэг шинээр гарч ирж буй салбарууд нь өндөр давтамжтай, үр ашигтай оптоэлектроник материалын эрэлт хэрэгцээг бий болгосон. Энэ нь GaAs болон InP зэрэг шууд зурвасын зайтай хагас дамжуулагчийн хөгжлийг хурдасгасан.
Материалын шинж чанар
Туузны завсрын болон оптоэлектроник гүйцэтгэл:
GaAs: 1.42eV (шууд зурвасын зай, гэрлийн ялгаралтыг идэвхжүүлдэг - лазер/LED-д тохиромжтой).
InP: 1.34eV (урт долгионы урттай хэрэглээнд илүү тохиромжтой, жишээлбэл, 1550nm шилэн кабелийн холбоо).
Электроны хөдөлгөөн:
GaAs нь 8500 см²/(V·s)-д хүрдэг нь цахиурын (1500 см²/(V·s)) хурдыг давсан тул GHz-ийн хүрээний дохио боловсруулахад оновчтой болгодог.
Сул талууд
лХэврэг суурь: Цахиураас үйлдвэрлэхэд илүү хэцүү; GaAs вафли нь 10 дахин илүү үнэтэй.
лУугуул исэл байхгүй: Цахиурын SiO₂-аас ялгаатай нь GaAs/InP нь тогтвортой исэлгүй тул өндөр нягтралтай IC үйлдвэрлэлд саад болдог.
Гол хэрэглээнүүд
лRF-ийн урд төгсгөлүүд:
Зөөврийн цахилгаан өсгөгч (PA), хиймэл дагуулын дамжуулагч (жишээ нь, GaAs дээр суурилсан HEMT транзистор).
лОптоэлектроник:
Лазер диодууд (CD/DVD хөтчүүд), LED (улаан/хэт улаан туяа), шилэн кабелийн модулиуд (InP лазерууд).
лСансрын нарны зай хураагуурууд:
GaAs эсүүд нь хиймэл дагуулын хувьд чухал ач холбогдолтой 30%-ийн үр ашгийг хүртдэг (цахиурын хувьд ~20% -тай харьцуулахад).
лТехнологийн саад бэрхшээлүүд
Өндөр өртөг нь GaAs/InP-г өндөр зэрэглэлийн тусгай хэрэглээнд хязгаарладаг бөгөөд энэ нь логик чипүүдэд цахиурын давамгайллыг орлохоос сэргийлдэг.
Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч (Өргөн зурвасын зайтай хагас дамжуулагч): Цахиурын карбид (SiC) ба галлийн нитрид (GaN)
Технологийн хөдөлгүүрүүд
Эрчим хүчний хувьсгал: Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл болон сэргээгдэх эрчим хүчний сүлжээний интеграци нь илүү үр ашигтай цахилгаан төхөөрөмжүүдийг шаарддаг.
Өндөр давтамжийн хэрэгцээ: 5G холбоо болон радарын системүүд нь илүү өндөр давтамж болон эрчим хүчний нягтрал шаарддаг.
Хэт туйлын орчин: Агаарын орон зай болон үйлдвэрлэлийн моторын хэрэглээнд 200°C-аас дээш температурыг тэсвэрлэх чадвартай материал шаардлагатай.
Материалын шинж чанар
Өргөн зурвасын давуу талууд:
лSiC: 3.26eV зурвасын зайтай, цахиурынхаас 10 дахин их задаргааны цахилгаан орны хүч чадалтай, 10 кВ-аас дээш хүчдэлийг тэсвэрлэх чадвартай.
лGaN: 3.4eV зурвасын зай, 2200 см²/(V·s) электроны хөдөлгөөн, өндөр давтамжийн гүйцэтгэлээрээ онцгой.
Дулааны менежмент:
SiC-ийн дулаан дамжуулалт нь 4.9 Вт/(см·К) хүрдэг бөгөөд энэ нь цахиураас гурав дахин сайн тул өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд тохиромжтой.
Материаллаг бэрхшээлүүд
SiC: Удаан дан талст өсөлт нь 2000°C-аас дээш температур шаарддаг бөгөөд энэ нь вафлийн согог болон өндөр өртөг үүсгэдэг (6 инчийн SiC вафли нь цахиураас 20 дахин үнэтэй).
GaN: Байгалийн субстрат дутагдалтай тул ихэвчлэн индранил, SiC эсвэл цахиурын субстрат дээр гетероэпитакси шаарддаг тул торны тохиромжгүй байдлын асуудалд хүргэдэг.
Гол хэрэглээнүүд
Цахилгаан электроник:
Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн инвертерүүд (жишээлбэл, Tesla Model 3 нь SiC MOSFET ашигладаг бөгөөд үр ашгийг 5–10% -иар сайжруулдаг).
Хурдан цэнэглэх станц/адаптерууд (GaN төхөөрөмжүүд нь хэмжээг 50% -иар багасгахын зэрэгцээ 100W+ хурдан цэнэглэлтийг идэвхжүүлдэг).
RF төхөөрөмжүүд:
5G суурь станцын цахилгаан өсгөгч (GaN-on-SiC PA нь мм долгионы давтамжийг дэмждэг).
Цэргийн радар (GaN нь GaAs-ийн чадлын нягтралаас 5 дахин ихийг санал болгодог).
Оптоэлектроник:
Хэт ягаан туяаны LED (ариутгах болон усны чанарыг илрүүлэхэд ашигладаг AlGaN материал).
Салбарын байдал ба ирээдүйн төлөв
SiC нь өндөр хүчин чадлын зах зээлд ноёрхож байгаа бөгөөд автомашины зэрэглэлийн модулиуд аль хэдийн олноор үйлдвэрлэгдэж байгаа ч өртөг нь саад тотгор хэвээр байна.
GaN нь хэрэглээний электроник (хурдан цэнэглэлт) болон RF-ийн хэрэглээнд хурдацтай өргөжиж, 8 инчийн ваферууд руу шилжиж байна.
Галлийн исэл (Ga₂O₃, зурвасын зай 4.8eV) болон алмаз (5.5eV) зэрэг шинээр гарч ирж буй материалууд нь хагас дамжуулагчийн "дөрөв дэх үе"-ийг үүсгэж, хүчдэлийн хязгаарыг 20 кВ-аас хэтрүүлж болзошгүй юм.
Хагас дамжуулагч үеийнхний хамтын оршин тогтнол ба синергизм
Орлуулах биш, харин нэмэлт чанар:
Цахиур нь логик чип болон хэрэглээний электроникийн салбарт давамгайлж байна (дэлхийн хагас дамжуулагч зах зээлийн 95%).
GaAs болон InP нь өндөр давтамжийн болон оптоэлектроникийн чиглэлээр мэргэшсэн.
SiC/GaN нь эрчим хүч болон үйлдвэрлэлийн салбарт орлуулшгүй юм.
Технологийн интеграцийн жишээнүүд:
GaN-on-Si: Хурдан цэнэглэх болон RF хэрэглээнд зориулж GaN-г хямд өртөгтэй силикон суурьтай хослуулсан.
SiC-IGBT эрлийз модулиуд: Сүлжээний хөрвүүлэлтийн үр ашгийг сайжруулах.
Ирээдүйн чиг хандлага:
Олон төрлийн интеграци: Гүйцэтгэл болон өртгийг тэнцвэржүүлэхийн тулд материалыг (жишээ нь, Si + GaN) нэг чип дээр нэгтгэх.
Хэт өргөн зурвасын зайтай материалууд (жишээ нь, Ga₂O₃, алмааз) нь хэт өндөр хүчдэл (>20 кВ) болон квант тооцооллын хэрэглээг бий болгож болзошгүй.
Холбоотой үйлдвэрлэл
GaAs лазер эпитаксиаль вафли 4 инч 6 инч
12 инчийн SIC суурьтай цахиурын карбидын үндсэн зэрэглэлийн диаметртэй, 300 мм том хэмжээтэй, 4H-N өндөр хүчин чадалтай төхөөрөмжийн дулаан ялгаралтад тохиромжтой
Нийтэлсэн цаг: 2025 оны 5-р сарын 7