Хагас дамжуулагч материалууд нь гурван үе дамжин хөгжсөн:
1-р үеийнхэн (Si/Ge) орчин үеийн электроникийн үндэс суурийг тавьсан.
2-р үе (GaAs/InP) мэдээллийн хувьсгалыг эрчимжүүлэхийн тулд оптоэлектроник болон өндөр давтамжийн саад бэрхшээлийг даван туулж,
3-р үе (SiC/GaN) нь одоо эрчим хүч, байгаль орчны эрс тэс сорилтуудыг даван туулж, нүүрстөрөгчийг саармагжуулах, 6G-ийн эрин үеийг бий болгож байна.
Энэхүү дэвшил нь олон талт байдлаас материаллаг шинжлэх ухааны чиглэлээр мэргэшсэн парадигмын шилжилтийг харуулж байна.
1. Нэгдүгээр үеийн хагас дамжуулагч: Цахиур (Si) ба Германий (Ge)
Түүхэн суурь
1947 онд Bell Labs германий транзисторыг зохион бүтээсэн нь хагас дамжуулагчийн эриний эхлэлийг тавьсан юм. 1950-иад он гэхэд цахиур нь тогтвортой ислийн давхарга (SiO₂) ба байгалийн арвин нөөцтэйн улмаас германийг аажмаар орлуулж нэгдсэн хэлхээний (IC) суурь болгожээ.
Материалын шинж чанар
ⅠТуузны зай:
Германий: 0.67eV (нарийн зурвастай, гүйдэл алдагдах хандлагатай, өндөр температурын гүйцэтгэл муу).
Цахиур: 1.12eV (шууд бус зурвасын зай, логик хэлхээнд тохиромжтой боловч гэрэл ялгаруулах чадваргүй).
Ⅱ、Цахиурын давуу талууд:
Байгалийн хувьд өндөр чанартай исэл (SiO₂) үүсгэж, MOSFET үйлдвэрлэх боломжтой.
Бага өртөгтэй, дэлхий дээр элбэг байдаг (царцдасын найрлагын ~28%).
Ⅲ、Хязгаарлалтууд:
Бага электрон хөдөлгөөн (ердөө 1500 см²/(V·s)), өндөр давтамжийн гүйцэтгэлийг хязгаарладаг.
Сул хүчдэл/температурын хүлцэл (хамгийн их ажиллах температур ~150°C).
Гол програмууд
Ⅰ、Нэгдсэн хэлхээнүүд (ICs):
CPU, санах ойн чип (жишээ нь, DRAM, NAND) нь өндөр нягтралтай байхын тулд цахиур дээр тулгуурладаг.
Жишээ нь: Intel-ийн анхны арилжааны микропроцессор 4004 (1971) нь 10μm цахиурын технологийг ашигласан.
Ⅱ、Эрчим хүчний төхөөрөмжүүд:
Эрт үеийн тиристорууд болон бага хүчдэлийн MOSFET (жишээлбэл, компьютерийн тэжээлийн хангамж) нь цахиурт суурилсан байв.
Бэрхшээл ба хоцрогдол
Германы алдагдал, дулааны тогтворгүй байдлын улмаас үе шаттайгаар хасагдсан. Гэсэн хэдий ч, оптоэлектроник болон өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд цахиурын хязгаарлалт нь дараагийн үеийн хагас дамжуулагчийг хөгжүүлэхэд түлхэц болсон.
2Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч: Галлиум арсенид (GaAs) ба индиум фосфид (InP)
Хөгжлийн суурь
1970-1980-аад оны үед хөдөлгөөнт холбоо, шилэн кабелийн сүлжээ, хиймэл дагуулын технологи зэрэг хөгжиж буй салбарууд өндөр давтамжтай, үр ашигтай оптоэлектроник материалын эрэлт хэрэгцээг бий болгосон. Энэ нь GaAs болон InP зэрэг шууд зурвасын хагас дамжуулагчийг хөгжүүлэхэд түлхэц болсон.
Материалын шинж чанар
Bandgap & Optoelectronic гүйцэтгэл:
GaAs: 1.42eV (шууд зурвасын зай, гэрлийн ялгаралтыг идэвхжүүлдэг—лазер/LED-д тохиромжтой).
InP: 1.34eV (урт долгионы хэрэглээ, жишээлбэл, 1550 нм шилэн кабелийн холболтод илүү тохиромжтой).
Электрон хөдөлгөөн:
GaAs нь 8500 см²/(V·s) цахиурыг (1500 см²/(V·s)) хол давж, GHz давтамжийн дохионы боловсруулалтад оновчтой болгодог.
Сул тал
лХэврэг субстрат: Цахиураас илүү үйлдвэрлэхэд хэцүү; GaAs вафель нь 10 дахин үнэтэй.
лТөрөлхийн исэл байхгүй: Цахиурын SiO₂-ээс ялгаатай нь GaAs/InP нь тогтвортой исэлгүй тул өндөр нягтралтай IC үйлдвэрлэхэд саад болдог.
Гол програмууд
лRF-ийн урд тал:
Хөдөлгөөнт цахилгаан өсгөгч (PA), хиймэл дагуулын дамжуулагч (жишээ нь, GaAs дээр суурилсан HEMT транзистор).
лОптоэлектроник:
Лазер диод (CD/DVD хөтчүүд), LED (улаан/хэт улаан туяа), шилэн кабелийн модулиуд (InP лазер).
лСансрын нарны эсүүд:
GaAs эсүүд 30%-ийн үр ашигтай (цахиурын хувьд ~20%-тай харьцуулахад) хүрдэг бөгөөд энэ нь хиймэл дагуулын хувьд маш чухал юм.
лТехнологийн саад бэрхшээл
Өндөр өртөг нь GaAs/InP-ийг дээд зэрэглэлийн хэрэглээнд хязгаарлаж, логик чип дэх цахиурын давамгайллыг орлуулахаас сэргийлдэг.
Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагчид (өргөн зурвасын хагас дамжуулагч): цахиурын карбид (SiC) ба галлийн нитрид (GaN)
Технологийн жолооч нар
Эрчим хүчний хувьсгал: Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл болон сэргээгдэх эрчим хүчний сүлжээнд нэгдэх нь илүү үр ашигтай цахилгаан хэрэгслийг шаарддаг.
Өндөр давтамжийн хэрэгцээ: 5G харилцаа холбоо болон радарын системүүд нь илүү өндөр давтамж, эрчим хүчний нягтрал шаарддаг.
Хүрээлэн буй орчин: Сансар огторгуйн болон үйлдвэрлэлийн моторын хэрэглээнд 200°С-аас дээш температурыг тэсвэрлэх чадвартай материал шаардлагатай.
Материалын шинж чанар
Өргөн зурвасын давуу талууд:
лSiC: 3.26eV зурвасын зай, задралын цахилгаан талбайн хүч нь цахиурынхаас 10 ×, 10кВ-оос дээш хүчдэлийг тэсвэрлэх чадвартай.
лGaN: 3.4eV-ийн зурвасын зай, 2200 см²/(V·s) электрон хөдөлгөөн, өндөр давтамжийн гүйцэтгэлээр шилдэг.
Дулааны менежмент:
SiC-ийн дулаан дамжилтын илтгэлцүүр нь 4.9 Вт/(см·К) хүрч, цахиураас гурав дахин илүү, өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд тохиромжтой.
Материаллаг сорилтууд
SiC: Нэг талст ургалт удаашрахын тулд 2000°C-ээс дээш температур шаардлагатай бөгөөд энэ нь вафельний согог, өндөр өртөгийг бий болгодог (6 инчийн SiC хавтан нь цахиураас 20 дахин үнэтэй).
GaN: Байгалийн субстрат дутагдалтай, ихэвчлэн индранил, SiC, эсвэл цахиурын субстрат дээр гетероепитакси шаардагддаг бөгөөд энэ нь торны үл нийцэх асуудалд хүргэдэг.
Гол програмууд
Эрчим хүчний электроник:
EV инвертерүүд (жишээ нь, Tesla Model 3 нь SiC MOSFET ашигладаг бөгөөд үр ашгийг 5-10% сайжруулдаг).
Хурдан цэнэглэгч станцууд/адаптерууд (GaN төхөөрөмжүүд нь 100W+ хурдан цэнэглэх ба хэмжээг 50%-иар багасгадаг).
RF төхөөрөмжүүд:
5G үндсэн станцын цахилгаан өсгөгч (GaN-on-SiC PA нь mmWave давтамжийг дэмждэг).
Цэргийн радар (GaN нь GaAs-ийн 5 × эрчим хүчний нягтыг санал болгодог).
Оптоэлектроник:
Хэт ягаан туяаны LED (ариутгах, усны чанарыг илрүүлэхэд ашигладаг AlGaN материал).
Салбарын байдал ба ирээдүйн төлөв
SiC өндөр эрчим хүчний зах зээлийг давамгайлж байгаа бөгөөд автомашины зэрэглэлийн модулиуд хэдийнэ олноор үйлдвэрлэгдэж байгаа боловч зардал нь саад болж байна.
GaN нь өргөн хэрэглээний цахилгаан хэрэгсэл (хурдан цэнэглэгч) болон RF-ийн хэрэглээнд хурдацтай өргөжиж, 8 инчийн хавтан руу шилжиж байна.
Галийн 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 20кВ-оос хэтрүүлдэг.
Хагас дамжуулагч үеийнхний зэрэгцэн оршихуй ба синергетик
Нэмэлт, орлуулах бус:
Цахиур нь логик чип болон хэрэглээний электроникийн салбарт давамгайлсан хэвээр байна (дэлхийн хагас дамжуулагчийн зах зээлийн 95%).
GaAs болон InP нь өндөр давтамжийн болон оптоэлектроник тороор мэргэшсэн.
SiC/GaN нь эрчим хүч, үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд орлуулшгүй юм.
Технологийн интеграцчлалын жишээ:
GaN-on-Si: Хурдан цэнэглэх болон RF-ийн хэрэглээнд зориулж GaN-ийг хямд цахиур субстраттай хослуулсан.
SiC-IGBT гибрид модулиуд: Сүлжээг хөрвүүлэх үр ашгийг сайжруулна.
Ирээдүйн чиг хандлага:
Нэг төрлийн бус интеграци: Гүйцэтгэл болон зардлыг тэнцвэржүүлэхийн тулд материалыг (жишээ нь, Si + GaN) нэг чип дээр нэгтгэх.
Хэт өргөн зурвасын материал (жишээ нь, Ga₂O₃, алмаз) нь хэт өндөр хүчдэлийн (>20кВ) болон квант тооцооллын хэрэглээг идэвхжүүлж болно.
Холбогдох үйлдвэрлэл
GaAs 4 инч 6 инчийн лазер эпитаксиаль өрөм
12 инчийн SIC субстрат цахиурын карбидын дээд зэргийн диаметр 300 мм том хэмжээтэй 4H-N Өндөр хүчин чадалтай төхөөрөмжийн дулаан ялгаруулахад тохиромжтой
Шуудангийн цаг: 2025-05-07