د نیمه هادي موادو درې بدلون راوړونکي نسلونه تېر شوي دي:
لومړۍ نسل (سي/جي) د عصري الکترونیکي توکو بنسټ کېښود،
دوهم نسل (GaAs/InP) د معلوماتو انقلاب ته د ځواک ورکولو لپاره د آپټو الیکترونیکي او لوړ فریکونسۍ خنډونه مات کړل،
دریم نسل (SiC/GaN) اوس د انرژۍ او سخت چاپیریال ننګونو سره مبارزه کوي، د کاربن بې طرفۍ او 6G دورې ته اجازه ورکوي.
دا پرمختګ د څو اړخیزه وړتیا څخه په مادي ساینس کې تخصص ته د بدلون یوه بیلګه څرګندوي.
۱. د لومړي نسل سیمیکمډکټرونه: سیلیکون (Si) او جرمینیم (Ge)
تاریخي پس منظر
په ۱۹۴۷ کال کې، بیل لابز د جرمانیوم ټرانزیسټر اختراع کړ، چې د سیمیکمډکټر دورې د پیل نښه وه. د ۱۹۵۰ لسیزې پورې، سیلیکون په تدریجي ډول د جرمانیوم ځای د مدغم سرکټونو (ICs) د بنسټ په توګه د خپل مستحکم آکسایډ طبقې (SiO₂) او پراخو طبیعي زیرمو له امله واخیست.
د موادو ځانګړتیاوې
Ⅰد بند واټن:
جرمانیوم: 0.67eV (تنګ بینډ ګیپ، د لیکیج جریان سره مخ، د لوړې تودوخې ضعیف فعالیت).
سیلیکون: ۱.۱۲eV (غیر مستقیم بینډ ګیپ، د منطقي سرکټونو لپاره مناسب مګر د رڼا د خپریدو توان نلري).
Ⅱ،د سیلیکون ګټې:
په طبیعي ډول د لوړ کیفیت اکسایډ (SiO₂) جوړوي، چې د MOSFET جوړولو توان ورکوي.
ټیټ لګښت او په ځمکه کې ډېر (د کرسټل جوړښت ~28٪).
Ⅲ،محدودیتونه:
د الکترونونو ټیټ حرکت (یوازې ۱۵۰۰ سانتي متره/(V·s))، د لوړې فریکونسۍ فعالیت محدودوي.
کمزوری ولتاژ/د تودوخې زغم (د اعظمي عملیاتي تودوخه ~150°C).
کلیدي غوښتنلیکونه
Ⅰ،مدغم سرکټونه (ICs):
CPUs، د حافظې چپس (د مثال په توګه، DRAM، NAND) د لوړ ادغام کثافت لپاره په سیلیکون تکیه کوي.
مثال: د انټیل ۴۰۰۴ (۱۹۷۱)، لومړنی سوداګریز مایکرو پروسیسر، د ۱۰μm سیلیکون ټیکنالوژۍ څخه کار واخیست.
Ⅱ،د بریښنا وسایل:
لومړني تایریسټرونه او د ټیټ ولټاژ MOSFETs (د مثال په توګه، د کمپیوټر بریښنا رسولو) د سیلیکون پر بنسټ وو.
ننګونې او زوړوالی
جرمینیم د لیک او حرارتي بې ثباتۍ له امله په تدریجي ډول له منځه یوړل شو. په هرصورت، د آپټو الیکترونیکونو او لوړ بریښنا غوښتنلیکونو کې د سیلیکون محدودیتونو د راتلونکي نسل سیمیکمډکټرونو پراختیا هڅولې.
۲ د دوهم نسل سیمیکمډکټرونه: ګیلیم ارسنایډ (GaAs) او انډیم فاسفایډ (InP)
د پرمختګ پس منظر
د ۱۹۷۰ او ۱۹۸۰ لسیزو په اوږدو کې، د ګرځنده مخابراتو، آپټیکل فایبر شبکو، او سپوږمکۍ ټیکنالوژۍ په څیر راڅرګندیدونکو برخو د لوړ فریکونسۍ او موثر آپټو الیکترونیکي موادو لپاره بیړنۍ غوښتنه رامینځته کړه. دې کار د مستقیم بینډ ګیپ سیمیکمډکټرونو لکه GaAs او InP پرمختګ ته لاره هواره کړه.
د موادو ځانګړتیاوې
د بانډ ګیپ او آپټو الیکترونیکي فعالیت:
GaAs: 1.42eV (مستقیم بینډ ګیپ، د رڼا اخراج فعالوي — د لیزرونو/LEDs لپاره مثالی).
InP: 1.34eV (د اوږد طول موج غوښتنلیکونو لپاره غوره مناسب دی، د بیلګې په توګه، 1550nm فایبر آپټیک مخابراتو).
د الکترون تحرک:
GaAs ۸۵۰۰ cm²/(V·s) ترلاسه کوي، چې د سیلیکون (۱۵۰۰ cm²/(V·s)) څخه ډېر لوړ دی، چې دا د GHz-حد سیګنال پروسس کولو لپاره غوره کوي.
زیانونه
لماتیدونکي سبسټریټ: د سیلیکون په پرتله تولید سخت دی؛ د GaAs ویفرونه 10x ډیر لګښت لري.
لاصلي اکسایډ نشته: د سیلیکون د SiO₂ برعکس، GaAs/InP مستحکم اکسایډونه نلري، چې د لوړ کثافت IC جوړولو مخه نیسي.
کلیدي غوښتنلیکونه
لد RF مخکینۍ برخې:
د موبایل پاور امپلیفیرونه (PAs)، د سپوږمکۍ ټرانسسیورونه (د مثال په توګه، د GaAs پر بنسټ HEMT ټرانزیسټرونه).
لآپټو الیکترونیک:
لیزر ډایډونه (سي ډي/ډي وي ډي ډرایو)، ایل ای ډي (سور/انفرارډ)، فایبر آپټیک ماډلونه (ان پي لیزرونه).
لفضايي لمریز حجرات:
د GaAs حجرې 30٪ موثریت ترلاسه کوي (د سیلیکون لپاره ~20٪ په پرتله)، چې د سپوږمکیو لپاره خورا مهم دي.
لټیکنالوژیکي خنډونه
لوړ لګښتونه GaAs/InP د لوړ پای غوښتنلیکونو پورې محدودوي، چې دوی د منطق چپس کې د سیلیکون واکمنۍ ځای په ځای کولو مخه نیسي.
د دریم نسل سیمیکمډکټرونه (پراخه بینډ ګیپ سیمیکمډکټرونه): سیلیکون کاربایډ (SiC) او ګیلیم نایټرایډ (GaN)
د ټکنالوژۍ چلوونکي
د انرژۍ انقلاب: برقي وسایط او د نوي کیدونکي انرژۍ شبکې ادغام د ډیرو اغیزمنو بریښنا وسیلو غوښتنه کوي.
د لوړې فریکونسۍ اړتیاوې: د 5G مخابراتو او رادار سیسټمونو لپاره لوړې فریکونسۍ او د بریښنا کثافت ته اړتیا ده.
سخت چاپیریال: د فضايي او صنعتي موټرو غوښتنلیکونه داسې موادو ته اړتیا لري چې د 200 درجو سانتي ګراد څخه پورته تودوخې سره مقاومت وکړي.
د موادو ځانګړتیاوې
د پراخ بند تشې ګټې:
لSiC: د 3.26eV بانډ ګیپ، د ماتیدو بریښنایی ساحې ځواک د سیلیکون په پرتله 10× دی، چې د 10kV څخه ډیر ولټاژ سره مقاومت کولو توان لري.
لGaN: د 3.4eV بانډ ګیپ، د 2200 cm²/(V·s) د الکترون حرکت، د لوړ فریکونسۍ فعالیت کې غوره.
د تودوخې مدیریت:
د SiC حرارتي چالکتیا 4.9 W/(cm·K) ته رسیږي، چې د سیلیکون په پرتله درې ځله غوره ده، چې دا د لوړ بریښنا غوښتنلیکونو لپاره مثالی کوي.
د موادو ننګونې
SiC: د واحد کرسټال ورو وده د 2000 درجو سانتي ګراد څخه پورته تودوخې ته اړتیا لري، چې په پایله کې د ویفر نیمګړتیاوې او لوړ لګښتونه رامینځته کیږي (د 6 انچه SiC ویفر د سیلیکون په پرتله 20 × ډیر ګران دی).
GaN: د طبیعي سبسټریټ نشتوالی، ډیری وختونه په نیلم، SiC، یا سیلیکون سبسټریټ کې هیټرو ایپیټیکسي ته اړتیا لري، چې د جالیو د بې اتفاقۍ ستونزې رامینځته کوي.
کلیدي غوښتنلیکونه
د بریښنا الکترونیکونه:
د بریښنایی موټرو انورټرونه (د مثال په توګه، د ټیسلا ماډل 3 د SiC MOSFETs کاروي، چې موثریت یې 5-10٪ ښه کوي).
د چټک چارج کولو سټیشنونه/اډاپټرونه (د GaN وسایل د 100W+ چټک چارج کولو وړتیا ورکوي پداسې حال کې چې اندازه یې 50٪ کموي).
د RF وسایل:
د 5G بیس سټیشن بریښنا امپلیفیرونه (GaN-on-SiC PAs د mmWave فریکونسیو ملاتړ کوي).
پوځي رادار (GaN د GaAs د بریښنا کثافت 5× وړاندې کوي).
آپټو الیکترونیک:
د UV LEDs (د AlGaN مواد چې د تعقیم او د اوبو د کیفیت کشف لپاره کارول کیږي).
د صنعت وضعیت او راتلونکی لید
SiC د لوړ ځواک بازار باندې تسلط لري، د موټرو درجې ماډلونه لا دمخه په پراخه کچه تولید کې دي، که څه هم لګښتونه یو خنډ پاتې دی.
GaN په چټکۍ سره د مصرف کونکي الیکترونیکونو (چټک چارج کولو) او RF غوښتنلیکونو کې پراختیا مومي، د 8 انچه ویفرونو په لور حرکت کوي.
راڅرګندیدونکي مواد لکه ګیلیم آکسایډ (Ga₂O₃، بانډ ګیپ 4.8eV) او الماس (5.5eV) ممکن د سیمیکمډکټرونو "څلورم نسل" جوړ کړي، چې د ولټاژ محدودیتونه له 20kV څخه هاخوا لوړوي.
د سیمیکمډکټر نسلونو ګډ شتون او همغږي
بشپړونکی، نه بدیل:
سیلیکون په منطقي چپسونو او مصرف کونکي الکترونیکونو کې غالب پاتې دی (د نړیوال سیمیکمډکټر بازار 95٪).
GaAs او InP په لوړ فریکونسۍ او آپټو الیکترونیکي طاقونو کې تخصص لري.
SiC/GaN په انرژي او صنعتي استعمالونو کې د نه بدلیدونکي دي.
د ټیکنالوژۍ ادغام مثالونه:
GaN-on-Si: د چټک چارج کولو او RF غوښتنلیکونو لپاره GaN د ټیټ لګښت سیلیکون سبسټریټ سره یوځای کوي.
د SiC-IGBT هایبرډ ماډلونه: د گرډ تبادلې موثریت ته وده ورکوي.
راتلونکي رجحانات:
متفاوت ادغام: د فعالیت او لګښت د توازن لپاره په یوه چپ کې د موادو (لکه Si + GaN) یوځای کول.
د الټرا وایډ بینډ ګیپ مواد (د مثال په توګه، Ga₂O₃، الماس) ممکن د الټرا لوړ ولټاژ (>20kV) او کوانټم کمپیوټري غوښتنلیکونو ته اجازه ورکړي.
اړوند تولید
د GaAs لیزر ایپیټیکسیل ویفر ۴ انچه ۶ انچه
۱۲ انچه SIC سبسټریټ سیلیکون کاربایډ د لومړي درجې قطر ۳۰۰ ملي متره لوی اندازه ۴H-N د لوړ بریښنا وسیلې د تودوخې ضایع کیدو لپاره مناسب
د پوسټ وخت: می-۰۷-۲۰۲۵