முதல் தலைமுறை இரண்டாம் தலைமுறை மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள்

குறைக்கடத்தி பொருட்கள் மூன்று உருமாறும் தலைமுறைகள் மூலம் உருவாகியுள்ளன:

1வது தலைமுறை (Si/Ge) நவீன மின்னணுவியலுக்கு அடித்தளம் அமைத்தது,

2வது தலைமுறை (GaAs/InP) தகவல் புரட்சிக்கு சக்தி அளிக்க ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் மற்றும் உயர் அதிர்வெண் தடைகளை உடைத்தது,

3வது தலைமுறை (SiC/GaN) இப்போது ஆற்றல் மற்றும் தீவிர சுற்றுச்சூழல் சவால்களைச் சமாளித்து, கார்பன் நடுநிலைமை மற்றும் 6G சகாப்தத்தை செயல்படுத்துகிறது.

இந்த முன்னேற்றம், பொருள் அறிவியலில் பல்துறைத்திறனில் இருந்து நிபுணத்துவத்திற்கு ஒரு முன்னுதாரண மாற்றத்தை வெளிப்படுத்துகிறது.

1. முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்: சிலிக்கான் (Si) மற்றும் ஜெர்மானியம் (Ge)

வரலாற்று பின்னணி

1947 ஆம் ஆண்டில், பெல் லேப்ஸ் ஜெர்மானியம் டிரான்சிஸ்டரைக் கண்டுபிடித்தது, இது குறைக்கடத்தி சகாப்தத்தின் தொடக்கத்தைக் குறித்தது. 1950 களில், சிலிக்கான் அதன் நிலையான ஆக்சைடு அடுக்கு (SiO₂) மற்றும் ஏராளமான இயற்கை இருப்புக்கள் காரணமாக ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகளின் (ICs) அடித்தளமாக ஜெர்மானியத்தை படிப்படியாக மாற்றியது.

பொருள் பண்புகள்

Ⅰ (எண்)பேண்ட்கேப்:

ஜெர்மானியம்: 0.67eV (குறுகிய பட்டை இடைவெளி, கசிவு மின்னோட்டத்திற்கு ஆளாகக்கூடியது, மோசமான உயர்-வெப்பநிலை செயல்திறன்).

சிலிக்கான்: 1.12eV (மறைமுக பட்டை இடைவெளி, லாஜிக் சுற்றுகளுக்கு ஏற்றது ஆனால் ஒளி உமிழ்வை ஏற்படுத்த இயலாதது).

Ⅱ,சிலிக்கானின் நன்மைகள்:

இயற்கையாகவே உயர்தர ஆக்சைடை (SiO₂) உருவாக்குகிறது, இது MOSFET உற்பத்தியை செயல்படுத்துகிறது.

குறைந்த விலை மற்றும் மண் வளம் (~28% மேலோடு கலவை).

Ⅲ、,வரம்புகள்:

குறைந்த எலக்ட்ரான் இயக்கம் (1500 செ.மீ²/(V·s) மட்டுமே), உயர் அதிர்வெண் செயல்திறனைக் கட்டுப்படுத்துகிறது.

பலவீனமான மின்னழுத்தம்/வெப்பநிலை சகிப்புத்தன்மை (அதிகபட்ச இயக்க வெப்பநிலை ~150°C).

முக்கிய பயன்பாடுகள்

Ⅰ、,ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகள் (ICகள்):

CPUகள், நினைவக சில்லுகள் (எ.கா., DRAM, NAND) அதிக ஒருங்கிணைப்பு அடர்த்திக்கு சிலிக்கானை நம்பியுள்ளன.

எடுத்துக்காட்டு: முதல் வணிக நுண்செயலியான இன்டெல்லின் 4004 (1971), 10μm சிலிக்கான் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தியது.

Ⅱ,சக்தி சாதனங்கள்:

ஆரம்பகால தைரிஸ்டர்கள் மற்றும் குறைந்த மின்னழுத்த MOSFETகள் (எ.கா., PC பவர் சப்ளைகள்) சிலிக்கான் அடிப்படையிலானவை.

சவால்கள் & காலாவதி

கசிவு மற்றும் வெப்ப உறுதியற்ற தன்மை காரணமாக ஜெர்மானியம் படிப்படியாக நீக்கப்பட்டது. இருப்பினும், ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ் மற்றும் உயர்-சக்தி பயன்பாடுகளில் சிலிக்கானின் வரம்புகள் அடுத்த தலைமுறை குறைக்கடத்திகளின் வளர்ச்சியைத் தூண்டின.

2இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்: காலியம் ஆர்சனைடு (GaAs) மற்றும் இண்டியம் பாஸ்பைடு (InP)

வளர்ச்சி பின்னணி

1970கள் - 1980களில், மொபைல் தகவல் தொடர்பு, ஆப்டிகல் ஃபைபர் நெட்வொர்க்குகள் மற்றும் செயற்கைக்கோள் தொழில்நுட்பம் போன்ற வளர்ந்து வரும் துறைகள் உயர் அதிர்வெண் மற்றும் திறமையான ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் பொருட்களுக்கான அவசர தேவையை உருவாக்கியது. இது GaAs மற்றும் InP போன்ற நேரடி பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்திகளின் முன்னேற்றத்திற்கு வழிவகுத்தது.

பொருள் பண்புகள்

பேண்ட்கேப் & ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் செயல்திறன்:

GaAs: 1.42eV (நேரடி பட்டை இடைவெளி, ஒளி உமிழ்வை செயல்படுத்துகிறது - லேசர்கள்/LED களுக்கு ஏற்றது).

InP: 1.34eV (நீண்ட அலைநீள பயன்பாடுகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமானது, எ.கா., 1550nm ஃபைபர்-ஆப்டிக் தகவல்தொடர்புகள்).

எலக்ட்ரான் இயக்கம்:

GaAs 8500 cm²/(V·s) ஐ அடைகிறது, இது சிலிக்கானை (1500 cm²/(V·s)) விட மிக அதிகமாக விஞ்சுகிறது, இது GHz-வரம்பு சமிக்ஞை செயலாக்கத்திற்கு உகந்ததாக அமைகிறது.

குறைபாடுகள்

எல்உடையக்கூடிய அடி மூலக்கூறுகள்: சிலிக்கானை விட உற்பத்தி செய்வது கடினம்; GaAs செதில்களின் விலை 10× அதிகம்.

எல்பூர்வீக ஆக்சைடு இல்லை: சிலிக்கானின் SiO₂ போலல்லாமல், GaAs/InP நிலையான ஆக்சைடுகளைக் கொண்டிருக்கவில்லை, இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட IC உருவாக்கத்தைத் தடுக்கிறது.

முக்கிய பயன்பாடுகள்

எல்RF முன்-முனைகள்:

மொபைல் பவர் பெருக்கிகள் (PAக்கள்), செயற்கைக்கோள் டிரான்ஸ்ஸீவர்கள் (எ.கா., GaAs-அடிப்படையிலான HEMT டிரான்சிஸ்டர்கள்).

எல்ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ்:

லேசர் டையோட்கள் (CD/DVD டிரைவ்கள்), LEDகள் (சிவப்பு/அகச்சிவப்பு), ஃபைபர்-ஆப்டிக் தொகுதிகள் (InP லேசர்கள்).

எல்விண்வெளி சூரிய மின்கலங்கள்:

GaAs செல்கள் 30% செயல்திறனை அடைகின்றன (சிலிக்கானுக்கு எதிராக ~20%), இது செயற்கைக்கோள்களுக்கு மிகவும் முக்கியமானது. 

எல்தொழில்நுட்ப சிக்கல்கள்

அதிக செலவுகள் GaAs/InP ஐ உயர்நிலை பயன்பாடுகளுக்குள் கட்டுப்படுத்துகின்றன, இதனால் அவை லாஜிக் சில்லுகளில் சிலிக்கானின் ஆதிக்கத்தை இடமாற்றம் செய்வதைத் தடுக்கின்றன.

மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள் (அகல-இடைவெளி குறைக்கடத்திகள்): சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) மற்றும் காலியம் நைட்ரைடு (GaN)

தொழில்நுட்ப இயக்கிகள்

ஆற்றல் புரட்சி: மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் புதுப்பிக்கத்தக்க எரிசக்தி கட்ட ஒருங்கிணைப்பு மிகவும் திறமையான மின் சாதனங்களைக் கோருகின்றன.

அதிக அதிர்வெண் தேவைகள்: 5G தகவல் தொடர்பு மற்றும் ரேடார் அமைப்புகளுக்கு அதிக அதிர்வெண்கள் மற்றும் சக்தி அடர்த்தி தேவைப்படுகிறது.

தீவிர சூழல்கள்: விண்வெளி மற்றும் தொழில்துறை மோட்டார் பயன்பாடுகளுக்கு 200°C க்கும் அதிகமான வெப்பநிலையைத் தாங்கும் திறன் கொண்ட பொருட்கள் தேவை.

பொருள் பண்புகள்

பரந்த பட்டை இடைவெளியின் நன்மைகள்:

எல்SiC: 3.26eV பட்டை இடைவெளி, சிலிக்கானை விட 10× முறிவு மின்சார புல வலிமை, 10kV க்கும் அதிகமான மின்னழுத்தங்களைத் தாங்கும் திறன் கொண்டது.

எல்GaN: 3.4eV பேண்ட் இடைவெளி, 2200 செ.மீ²/(V·s) எலக்ட்ரான் இயக்கம், உயர் அதிர்வெண் செயல்திறனில் சிறந்து விளங்குகிறது.

வெப்ப மேலாண்மை:

SiC இன் வெப்ப கடத்துத்திறன் 4.9 W/(cm·K) ஐ அடைகிறது, இது சிலிக்கானை விட மூன்று மடங்கு சிறந்தது, இது உயர்-சக்தி பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக அமைகிறது.

பொருள் சவால்கள்

SiC: மெதுவான ஒற்றை-படிக வளர்ச்சிக்கு 2000°C க்கும் அதிகமான வெப்பநிலை தேவைப்படுகிறது, இதன் விளைவாக வேஃபர் குறைபாடுகள் மற்றும் அதிக செலவுகள் ஏற்படுகின்றன (6-அங்குல SiC வேஃபர் சிலிக்கானை விட 20× அதிக விலை கொண்டது).

GaN: இயற்கையான அடி மூலக்கூறு இல்லாததால், சபையர், SiC அல்லது சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் பெரும்பாலும் ஹெட்டோரோபிடாக்ஸி தேவைப்படுகிறது, இது லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மை சிக்கல்களுக்கு வழிவகுக்கிறது.

முக்கிய பயன்பாடுகள்

பவர் எலக்ட்ரானிக்ஸ்:

EV இன்வெர்ட்டர்கள் (எ.கா., டெஸ்லா மாடல் 3 SiC MOSFETகளைப் பயன்படுத்துகிறது, இதனால் செயல்திறன் 5–10% அதிகரிக்கிறது).

வேகமான சார்ஜிங் நிலையங்கள்/அடாப்டர்கள் (GaN சாதனங்கள் 100W+ வேகமான சார்ஜிங்கை செயல்படுத்துகின்றன, அதே நேரத்தில் அளவை 50% குறைக்கின்றன).

RF சாதனங்கள்:

5G அடிப்படை நிலைய மின் பெருக்கிகள் (GaN-on-SiC PAக்கள் mmWave அதிர்வெண்களை ஆதரிக்கின்றன).

இராணுவ ரேடார் (GaN ஆனது GaA களின் சக்தி அடர்த்தியை 5× வழங்குகிறது).

ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ்:

UV LEDகள் (கருத்தடை நீக்கம் மற்றும் நீர் தரக் கண்டறிதலில் பயன்படுத்தப்படும் AlGaN பொருட்கள்).

தொழில்துறை நிலை மற்றும் எதிர்காலக் கண்ணோட்டம்

அதிக சக்தி கொண்ட சந்தையில் SiC ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது, வாகன-தர தொகுதிகள் ஏற்கனவே பெருமளவில் உற்பத்தியில் உள்ளன, இருப்பினும் செலவுகள் ஒரு தடையாகவே உள்ளன.

நுகர்வோர் மின்னணுவியல் (வேகமான சார்ஜிங்) மற்றும் RF பயன்பாடுகளில் GaN வேகமாக விரிவடைந்து, 8-அங்குல வேஃபர்களை நோக்கி மாறுகிறது.

காலியம் ஆக்சைடு (Ga₂O₃, பேண்ட்கேப் 4.8eV) மற்றும் வைரம் (5.5eV) போன்ற வளர்ந்து வரும் பொருட்கள் "நான்காவது தலைமுறை" குறைக்கடத்திகளை உருவாக்கக்கூடும், மின்னழுத்த வரம்புகளை 20kV க்கு மேல் தள்ளும்.

குறைக்கடத்தி தலைமுறைகளின் சகவாழ்வு மற்றும் சினெர்ஜி

நிரப்புத்தன்மை, மாற்றீடு அல்ல:

லாஜிக் சில்லுகள் மற்றும் நுகர்வோர் மின்னணு சாதனங்களில் (உலகளாவிய குறைக்கடத்தி சந்தையில் 95%) சிலிக்கான் ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது.

GaAs மற்றும் InP ஆகியவை உயர் அதிர்வெண் மற்றும் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் முக்கிய இடங்களில் நிபுணத்துவம் பெற்றவை.

ஆற்றல் மற்றும் தொழில்துறை பயன்பாடுகளில் SiC/GaN ஈடுசெய்ய முடியாதது.

தொழில்நுட்ப ஒருங்கிணைப்பு எடுத்துக்காட்டுகள்:

GaN-on-Si: வேகமான சார்ஜிங் மற்றும் RF பயன்பாடுகளுக்கு குறைந்த விலை சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளுடன் GaN ஐ இணைக்கிறது.

SiC-IGBT கலப்பின தொகுதிகள்: கட்ட மாற்ற செயல்திறனை மேம்படுத்துதல்.

எதிர்கால போக்குகள்:

பன்முக ஒருங்கிணைப்பு: செயல்திறன் மற்றும் செலவை சமநிலைப்படுத்த பொருட்களை (எ.கா., Si + GaN) ஒற்றை சிப்பில் இணைத்தல்.

அல்ட்ரா-வைட் பேண்ட்கேப் பொருட்கள் (எ.கா., Ga₂O₃, வைரம்) அல்ட்ரா-ஹை-வோல்டேஜ் (> 20kV) மற்றும் குவாண்டம் கம்ப்யூட்டிங் பயன்பாடுகளை செயல்படுத்தக்கூடும்.

தொடர்புடைய தயாரிப்பு

GaAs லேசர் எபிடாக்சியல் வேஃபர் 4 அங்குலம் 6 அங்குலம்

12 அங்குல SIC அடி மூலக்கூறு சிலிக்கான் கார்பைடு பிரைம் தர விட்டம் 300மிமீ பெரிய அளவு 4H-N உயர் சக்தி சாதன வெப்பச் சிதறலுக்கு ஏற்றது