ഒന്നാം തലമുറ രണ്ടാം തലമുറ മൂന്നാം തലമുറ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കൾ

മൂന്ന് പരിവർത്തന തലമുറകളിലൂടെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കൾ പരിണമിച്ചു:

ഒന്നാം തലമുറ (Si/Ge) ആധുനിക ഇലക്ട്രോണിക്സിന് അടിത്തറയിട്ടു,

വിവര വിപ്ലവത്തിന് ശക്തി പകരുന്നതിനായി രണ്ടാം തലമുറ (GaAs/InP) ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക്, ഹൈ-ഫ്രീക്വൻസി തടസ്സങ്ങളെ മറികടന്നു,

മൂന്നാം തലമുറ (SiC/GaN) ഇപ്പോൾ ഊർജ്ജ, അങ്ങേയറ്റത്തെ പരിസ്ഥിതി വെല്ലുവിളികളെ നേരിടുന്നു, കാർബൺ ന്യൂട്രാലിറ്റിയും 6G യുഗവും പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.

ഈ പുരോഗതി ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലെ വൈവിധ്യത്തിൽ നിന്ന് സ്പെഷ്യലൈസേഷനിലേക്കുള്ള ഒരു മാതൃകാപരമായ മാറ്റം വെളിപ്പെടുത്തുന്നു.

1. ഒന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടറുകൾ: സിലിക്കൺ (Si), ജെർമേനിയം (Ge)

ചരിത്ര പശ്ചാത്തലം

1947-ൽ ബെൽ ലാബ്സ് ജെർമേനിയം ട്രാൻസിസ്റ്റർ കണ്ടുപിടിച്ചു, അതുവഴി സെമികണ്ടക്ടർ യുഗത്തിന്റെ ഉദയം അടയാളപ്പെടുത്തി. 1950-കളോടെ, സ്ഥിരതയുള്ള ഓക്സൈഡ് പാളിയും (SiO₂) സമൃദ്ധമായ പ്രകൃതി കരുതൽ ശേഖരവും കാരണം ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ (ICs) അടിത്തറയായി സിലിക്കൺ ക്രമേണ ജെർമേനിയത്തെ മാറ്റിസ്ഥാപിച്ചു.

മെറ്റീരിയൽ പ്രോപ്പർട്ടികൾ

Ⅰ Ⅰ എബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്:

ജെർമേനിയം: 0.67eV (ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്, ചോർച്ച കറന്റ് സാധ്യത, മോശം ഉയർന്ന താപനില പ്രകടനം).

സിലിക്കൺ: 1.12eV (പരോക്ഷ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്, ലോജിക് സർക്യൂട്ടുകൾക്ക് അനുയോജ്യം, പക്ഷേ പ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കാൻ കഴിയില്ല).

Ⅱ,സിലിക്കണിന്റെ ഗുണങ്ങൾ:

സ്വാഭാവികമായും ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള ഒരു ഓക്സൈഡ് (SiO₂) രൂപപ്പെടുത്തുന്നു, ഇത് MOSFET നിർമ്മാണം സാധ്യമാക്കുന്നു.

ചെലവ് കുറഞ്ഞതും മണ്ണിനാൽ സമ്പന്നവുമാണ് (പുറംതോടിന്റെ ഘടനയുടെ ~28%).

Ⅲ,പരിമിതികൾ:

കുറഞ്ഞ ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി (1500 cm²/(V·s) മാത്രം), ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പ്രകടനത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്നു.

ദുർബലമായ വോൾട്ടേജ്/താപനില സഹിഷ്ണുത (പരമാവധി പ്രവർത്തന താപനില ~150°C).

പ്രധാന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ

Ⅰ,ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ (ഐസി):

സിപിയുകൾ, മെമ്മറി ചിപ്പുകൾ (ഉദാ: DRAM, NAND) എന്നിവ ഉയർന്ന ഇന്റഗ്രേഷൻ ഡെൻസിറ്റിക്ക് സിലിക്കണിനെ ആശ്രയിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: ആദ്യത്തെ വാണിജ്യ മൈക്രോപ്രൊസസ്സറായ ഇന്റലിന്റെ 4004 (1971), 10μm സിലിക്കൺ സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ചു.

Ⅱ,പവർ ഉപകരണങ്ങൾ:

ആദ്യകാല തൈറിസ്റ്ററുകളും ലോ-വോൾട്ടേജ് MOSFET-കളും (ഉദാഹരണത്തിന്, PC പവർ സപ്ലൈകൾ) സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിതമായിരുന്നു.

വെല്ലുവിളികളും കാലഹരണപ്പെടലും

ചോർച്ചയും താപ അസ്ഥിരതയും കാരണം ജെർമേനിയം ഘട്ടംഘട്ടമായി നിർത്തലാക്കപ്പെട്ടു. എന്നിരുന്നാലും, ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക്സിലും ഉയർന്ന പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിലും സിലിക്കണിന്റെ പരിമിതികൾ അടുത്ത തലമുറ സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ വികസനത്തിന് പ്രചോദനമായി.

2രണ്ടാം തലമുറ അർദ്ധചാലകങ്ങൾ: ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs) ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ് (InP)

വികസന പശ്ചാത്തലം

1970-1980 കാലഘട്ടത്തിൽ, മൊബൈൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ്, ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ നെറ്റ്‌വർക്കുകൾ, സാറ്റലൈറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ തുടങ്ങിയ വളർന്നുവരുന്ന മേഖലകൾ ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസിയും കാര്യക്ഷമവുമായ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് അടിയന്തിര ആവശ്യം സൃഷ്ടിച്ചു. ഇത് GaAs, InP പോലുള്ള നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ പുരോഗതിക്ക് കാരണമായി.

മെറ്റീരിയൽ പ്രോപ്പർട്ടികൾ

ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് & ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് പ്രകടനം:

GaAs: 1.42eV (നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്, പ്രകാശ ഉദ്‌വമനം സാധ്യമാക്കുന്നു - ലേസറുകൾ/എൽഇഡികൾക്ക് അനുയോജ്യം).

InP: 1.34eV (ദീർഘ-തരംഗദൈർഘ്യ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് കൂടുതൽ അനുയോജ്യം, ഉദാ: 1550nm ഫൈബർ-ഒപ്റ്റിക് ആശയവിനിമയങ്ങൾ).

ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി:

GaAs 8500 cm²/(V·s) കൈവരിക്കുന്നു, ഇത് സിലിക്കണിനെ (1500 cm²/(V·s)) വളരെ മറികടക്കുന്നു, ഇത് GHz-റേഞ്ച് സിഗ്നൽ പ്രോസസ്സിംഗിന് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

ദോഷങ്ങൾ

എൽപൊട്ടുന്ന അടിവസ്ത്രങ്ങൾ: സിലിക്കണിനേക്കാൾ നിർമ്മിക്കാൻ പ്രയാസമാണ്; GaAs വേഫറുകളുടെ വില 10× കൂടുതലാണ്.

എൽനേറ്റീവ് ഓക്സൈഡ് ഇല്ല: സിലിക്കണിന്റെ SiO₂ ൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, GaAs/InP യിൽ സ്ഥിരതയുള്ള ഓക്സൈഡുകൾ ഇല്ല, ഇത് ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള IC നിർമ്മാണത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു.

പ്രധാന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ

എൽRF ഫ്രണ്ട്-എൻഡുകൾ:

മൊബൈൽ പവർ ആംപ്ലിഫയറുകൾ (PA-കൾ), സാറ്റലൈറ്റ് ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾ (ഉദാ. GaAs-അധിഷ്ഠിത HEMT ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ).

എൽഒപ്റ്റോ ഇലക്ട്രോണിക്സ്:

ലേസർ ഡയോഡുകൾ (സിഡി/ഡിവിഡി ഡ്രൈവുകൾ), എൽഇഡികൾ (റെഡ്/ഇൻഫ്രാറെഡ്), ഫൈബർ-ഒപ്റ്റിക് മൊഡ്യൂളുകൾ (ഇൻപി ലേസറുകൾ).

എൽബഹിരാകാശ സോളാർ സെല്ലുകൾ:

GaAs സെല്ലുകൾ 30% കാര്യക്ഷമത കൈവരിക്കുന്നു (സിലിക്കണിന് ~20% നെ അപേക്ഷിച്ച്), ഇത് ഉപഗ്രഹങ്ങൾക്ക് നിർണായകമാണ്. 

എൽസാങ്കേതിക തടസ്സങ്ങൾ

ഉയർന്ന ചെലവുകൾ GaAs/InP കളെ ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ മാത്രം പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു, ഇത് ലോജിക് ചിപ്പുകളിൽ സിലിക്കണിന്റെ ആധിപത്യത്തെ സ്ഥാനഭ്രഷ്ടനാക്കുന്നതിൽ നിന്ന് അവയെ തടയുന്നു.

മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടറുകൾ (വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടറുകൾ): സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC), ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (GaN)

ടെക്നോളജി ഡ്രൈവറുകൾ

ഊർജ്ജ വിപ്ലവം: വൈദ്യുത വാഹനങ്ങൾക്കും പുനരുപയോഗ ഊർജ്ജ ഗ്രിഡ് സംയോജനത്തിനും കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമമായ ഊർജ്ജ ഉപകരണങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്.

ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ആവശ്യകതകൾ: 5G ആശയവിനിമയങ്ങൾക്കും റഡാർ സംവിധാനങ്ങൾക്കും ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസികളും പവർ ഡെൻസിറ്റിയും ആവശ്യമാണ്.

കഠിനമായ പരിസ്ഥിതികൾ: ബഹിരാകാശ, വ്യാവസായിക മോട്ടോർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് 200°C-ൽ കൂടുതലുള്ള താപനിലയെ നേരിടാൻ കഴിവുള്ള വസ്തുക്കൾ ആവശ്യമാണ്.

മെറ്റീരിയൽ സവിശേഷതകൾ

വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പിന്റെ പ്രയോജനങ്ങൾ:

എൽSiC: 3.26eV ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്, ബ്രേക്ക്ഡൗൺ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് ശക്തി സിലിക്കണിന്റെ 10×, 10kV-ൽ കൂടുതലുള്ള വോൾട്ടേജുകളെ നേരിടാൻ കഴിവുള്ളത്.

എൽGaN: 3.4eV ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്, 2200 cm²/(V·s) ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പ്രകടനത്തിൽ മികച്ചുനിൽക്കുന്നു.

താപ മാനേജ്മെന്റ്:

SiC യുടെ താപ ചാലകത 4.9 W/(cm·K) വരെ എത്തുന്നു, ഇത് സിലിക്കണിനേക്കാൾ മൂന്നിരട്ടി മികച്ചതാണ്, ഇത് ഉയർന്ന പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

മെറ്റീരിയൽ വെല്ലുവിളികൾ

SiC: മന്ദഗതിയിലുള്ള ഒറ്റ-ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ചയ്ക്ക് 2000°C-ൽ കൂടുതൽ താപനില ആവശ്യമാണ്, ഇത് വേഫർ വൈകല്യങ്ങൾക്കും ഉയർന്ന വിലയ്ക്കും കാരണമാകുന്നു (6-ഇഞ്ച് SiC വേഫറിന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ 20× കൂടുതൽ വില കൂടുതലാണ്).

GaN: പ്രകൃതിദത്തമായ ഒരു സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ അഭാവം, പലപ്പോഴും സഫയർ, SiC, അല്ലെങ്കിൽ സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്‌സി ആവശ്യമായി വരുന്നു, ഇത് ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് പ്രശ്‌നങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു.

പ്രധാന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ

പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സ്:

ഇലക്ട്രിക് വാഹന ഇൻവെർട്ടറുകൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, ടെസ്‌ല മോഡൽ 3 SiC MOSFET-കൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഇത് കാര്യക്ഷമത 5–10% വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു).

ഫാസ്റ്റ്-ചാർജിംഗ് സ്റ്റേഷനുകൾ/അഡാപ്റ്ററുകൾ (GaN ഉപകരണങ്ങൾ 100W+ ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ് പ്രാപ്തമാക്കുന്നു, അതേസമയം വലുപ്പം 50% കുറയ്ക്കുന്നു).

RF ഉപകരണങ്ങൾ:

5G ബേസ് സ്റ്റേഷൻ പവർ ആംപ്ലിഫയറുകൾ (GaN-on-SiC PA-കൾ mmWave ഫ്രീക്വൻസികളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു).

സൈനിക റഡാർ (GaA-കളുടെ പവർ ഡെൻസിറ്റി GaN 5× വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു).

ഒപ്റ്റോ ഇലക്ട്രോണിക്സ്:

UV LED-കൾ (വന്ധ്യംകരണത്തിലും ജലത്തിന്റെ ഗുണനിലവാര പരിശോധനയിലും ഉപയോഗിക്കുന്ന AlGaN വസ്തുക്കൾ).

വ്യവസായ നിലയും ഭാവി കാഴ്ചപ്പാടുകളും

ഉയർന്ന ഊർജ്ജ വിപണിയെ SiC ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു, ഓട്ടോമോട്ടീവ്-ഗ്രേഡ് മൊഡ്യൂളുകൾ ഇതിനകം തന്നെ വൻതോതിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്, എന്നിരുന്നാലും ചെലവ് ഒരു തടസ്സമായി തുടരുന്നു.

ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് (ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ്), ആർഎഫ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ എന്നിവയിൽ GaN അതിവേഗം വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു, 8 ഇഞ്ച് വേഫറുകളിലേക്ക് മാറുന്നു.

ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് (Ga₂O₃, ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് 4.8eV), ഡയമണ്ട് (5.5eV) തുടങ്ങിയ ഉയർന്നുവരുന്ന വസ്തുക്കൾ "നാലാം തലമുറ" അർദ്ധചാലകങ്ങൾ രൂപപ്പെടുത്തിയേക്കാം, ഇത് വോൾട്ടേജ് പരിധികളെ 20kV-ക്ക് അപ്പുറത്തേക്ക് തള്ളിവിടുന്നു.

സെമികണ്ടക്ടർ തലമുറകളുടെ സഹവർത്തിത്വവും സിനർജിയും

പൂരകത്വം, പകരം വയ്ക്കലല്ല:

ലോജിക് ചിപ്പുകളിലും കൺസ്യൂമർ ഇലക്ട്രോണിക്സിലും (ആഗോള സെമികണ്ടക്ടർ വിപണിയുടെ 95%) സിലിക്കൺ ഇപ്പോഴും പ്രബലമാണ്.

GaA-കളും InP-യും ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് നിച്ചുകളിൽ വൈദഗ്ദ്ധ്യം നേടിയിട്ടുണ്ട്.

ഊർജ്ജത്തിലും വ്യാവസായിക പ്രയോഗങ്ങളിലും SiC/GaN മാറ്റാനാകാത്തതാണ്.

സാങ്കേതിക സംയോജനം ഉദാഹരണങ്ങൾ:

GaN-on-Si: വേഗത്തിലുള്ള ചാർജിംഗിനും RF ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കുമായി കുറഞ്ഞ വിലയുള്ള സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുമായി GaN സംയോജിപ്പിക്കുന്നു.

SiC-IGBT ഹൈബ്രിഡ് മൊഡ്യൂളുകൾ: ഗ്രിഡ് പരിവർത്തന കാര്യക്ഷമത മെച്ചപ്പെടുത്തുക.

ഭാവി പ്രവണതകൾ:

വൈവിധ്യമാർന്ന സംയോജനം: പ്രകടനവും ചെലവും സന്തുലിതമാക്കുന്നതിന് ഒരൊറ്റ ചിപ്പിൽ മെറ്റീരിയലുകൾ (ഉദാ: Si + GaN) സംയോജിപ്പിക്കൽ.

അൾട്രാ-വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് മെറ്റീരിയലുകൾ (ഉദാ. Ga₂O₃, ഡയമണ്ട്) അൾട്രാ-ഹൈ-വോൾട്ടേജ് (> 20kV), ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ പ്രാപ്തമാക്കിയേക്കാം.

അനുബന്ധ ഉൽ‌പാദനം

GaAs ലേസർ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വേഫർ 4 ഇഞ്ച് 6 ഇഞ്ച്

12 ഇഞ്ച് SIC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പ്രൈം ഗ്രേഡ് വ്യാസം 300mm വലുത് വലിപ്പം 4H-N ഉയർന്ന പവർ ഉപകരണ താപ വിസർജ്ജനത്തിന് അനുയോജ്യം