بىرىنچى ئەۋلاد ئىككىنچى ئەۋلاد ئۈچىنچى ئەۋلاد يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىياللار

يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىياللار ئۈچ ئەۋلاد ئۆزگىرىشىنى باشتىن كەچۈردى:

1-ئەۋلاد (Si/Ge) زامانىۋى ئېلېكترون تېخنىكىسىنىڭ ئاساسىنى سالغان،

2-ئەۋلاد (GaAs/InP) ئۇچۇر ئىنقىلابىنى قوزغىتىش ئۈچۈن ئوپتوئېلېكترونلۇق ۋە يۇقىرى چاستوتىلىق توساقلارنى بۇزۇپ ئۆتتى،

3-ئەۋلاد (SiC/GaN) ھازىر ئېنېرگىيە ۋە ئېغىر مۇھىت مەسىلىلىرىنى ھەل قىلىپ، كاربون بىتەرەپلىكى ۋە 6G دەۋرىنى ئىشقا ئاشۇرماقتا.

بۇ ئىلگىرىلەش ماتېرىيال پەنلىرى ساھەسىدە كۆپ خىللىقتىن ئىختىساسلىشىشقا قاراپ يۈزلەنگەن پارادىگما ئۆزگىرىشىنى ئاشكارىلىدى.

1. بىرىنچى ئەۋلاد يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەر: كرېمنىي (Si) ۋە گېرمانىي (Ge)

تارىخىي ئارقا كۆرۈنۈش

1947-يىلى، بېل تەجرىبىخانىسى گېرمانىي ترانزىستورنى ئىجاد قىلىپ، يېرىم ئۆتكۈزگۈچ دەۋرىنىڭ باشلىنىشىنى بەلگىلىدى. 1950-يىللارغا كەلگەندە، كرېمنىي مۇقىم ئوكسىد قەۋىتى (SiO₂) ۋە مول تەبىئىي زاپىسى سەۋەبىدىن، گېرمانىينىڭ ئورنىنى ئېلىپ، ئىنتېگرال توك يولى (IC) نىڭ ئاساسىغا ئايلاندى.

ماتېرىيال خۇسۇسىيەتلىرى

Ⅰبەلۋاغ بوشلۇقى:

گېرمانىي: 0.67eV (تار بەلۋاغ بوشلۇقى، ئاسان ئېقىپ كېتىش ئېقىمى پەيدا بولىدۇ، يۇقىرى تېمپېراتۇرىدا ناچار ئىقتىدارغا ئىگە).

كرېمنىي: 1.12eV (ۋاسىتىسىز بەلۋاغ بوشلۇقى، لوگىكىلىق توك يوللىرىغا ماس كېلىدۇ، ئەمما نۇر چىقىرىشقا قادىر ئەمەس).

2،كرېمنىينىڭ ئەۋزەللىكلىرى:

تەبىئىي ھالدا يۇقىرى سۈپەتلىك ئوكسىد (SiO₂) ھاسىل قىلىپ، MOSFET ئىشلەپچىقىرىشقا شارائىت ھازىرلايدۇ.

ئەرزان باھالىق ۋە يەر شارى مول (يەر پوستى تەركىبىنىڭ تەخمىنەن %28).

Ⅲ،چەكلىمىلەر:

ئېلېكتروننىڭ ھەرىكەتچانلىقى تۆۋەن (پەقەت 1500 cm²/(V·s))، يۇقىرى چاستوتىلىق ئىقتىدارنى چەكلەيدۇ.

ئاجىز توك بېسىمى/تېمپېراتۇرا بەرداشلىق بېرىش ئىقتىدارى (ئەڭ يۇقىرى ئىشلىتىش تېمپېراتۇرىسى ~150°C).

ئاچقۇچلۇق قوللىنىشچان پروگراممىلار

Ⅰ،ئىنتېگراللاشتۇرۇلغان توك يولى (IC):

CPU، ئىچكى ساقلىغۇچ چىپلىرى (مەسىلەن، DRAM، NAND) يۇقىرى بىر گەۋدىلەشتۈرۈش زىچلىقى ئۈچۈن كرېمنىيغا تايىنىدۇ.

مىسال: تۇنجى سودا مىكرو بىر تەرەپ قىلغۇچ بولغان Intel نىڭ 4004 (1971) 10μm كرېمنىي تېخنىكىسىنى ئىشلەتكەن.

2،ئېلېكتر ئۈسكۈنىلىرى:

دەسلەپكى تىرىستورلار ۋە تۆۋەن توك بېسىملىق MOSFETلار (مەسىلەن، كومپيۇتېر توك مەنبەسى) كرېمنىي ئاساس قىلىنغان.

قىيىنچىلىقلار ۋە كونا بولۇش

گېرمانىينىڭ ئېقىپ كېتىش ۋە ئىسسىقلىقنىڭ مۇقىمسىزلىقى سەۋەبىدىن ئىشلەپچىقىرىشتىن توختىتىلدى. قانداقلا بولمىسۇن، كرېمنىينىڭ ئوپتوئېلېكترون ۋە يۇقىرى قۇۋۋەتلىك قوللىنىشچان ساھەلەردىكى چەكلىمىلىرى كېيىنكى ئەۋلاد يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەرنىڭ تەرەققىياتىغا تۈرتكە بولدى.

2 ئىككىنچى ئەۋلاد يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەر: گاللىي ئارسېنىد (GaAs) ۋە ئىندىي فوسفىد (InP)

تەرەققىيات ئارقا كۆرۈنۈشى

1970-يىللاردىن 1980-يىلغىچە بولغان ئارىلىقتا، كۆچمە ئالاقە، ئوپتىك تالا تورى ۋە سۈنئىي ھەمراھ تېخنىكىسى قاتارلىق يېڭىدىن گۈللىنىۋاتقان ساھەلەر يۇقىرى چاستوتىلىق ۋە ئۈنۈملۈك ئوپتىك ئېلېكترونلۇق ماتېرىياللارغا بولغان ئېھتىياجنى زور دەرىجىدە ئاشۇردى. بۇ GaAs ۋە InP قاتارلىق بىۋاسىتە بەلباغ بوشلۇقى يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەرنىڭ تەرەققىياتىغا تۈرتكە بولدى.

ماتېرىيال خۇسۇسىيەتلىرى

بەلۋاغ ئارىلىقى ۋە ئوپتوئېلېكترونلۇق ئىقتىدار:

GaAs: 1.42eV (بىۋاسىتە بەلۋاغ بوشلۇقى، نۇر تارقىتىشنى قوللايدۇ - لازېر/LED ئۈچۈن ئەڭ ياخشى).

InP: 1.34eV (ئۇزۇن دولقۇنلۇق قوللىنىشچان پروگراممىلارغا تېخىمۇ ماس كېلىدۇ، مەسىلەن، 1550nm تالا-ئوپتىك ئالاقە).

ئېلېكترون ھەرىكەتچانلىقى:

GaAs 8500 cm²/(V·s) غا يېتىدۇ، بۇ كرېمنىيدىن (1500 cm²/(V·s)) كۆپ ئېشىپ كېتىدۇ، بۇ ئۇنى GHz دائىرىسىدىكى سىگنال بىر تەرەپ قىلىشقا ئەڭ ماسلاشتۇرىدۇ.

كەمچىلىكلىرى

لمۇرۇت ئاساسىي ماتېرىياللار: كرېمنىيغا قارىغاندا ئىشلەپچىقىرىش تەس؛ GaAs ۋاپشىلىرىنىڭ باھاسى 10 ھەسسە قىممەت.

لتەبىئىي ئوكسىد يوق: كرېمنىينىڭ SiO₂ دىن پەرقلىق ھالدا، GaAs/InP دا مۇقىم ئوكسىدلار يوق، بۇ يۇقىرى زىچلىقتىكى IC ئىشلەپچىقىرىشقا توسقۇنلۇق قىلىدۇ.

ئاچقۇچلۇق قوللىنىشچان پروگراممىلار

لرادىئو چاستوتا ئالدى تەرەپلىرى:

كۆچمە قۇۋۋەت كۈچەيتكۈچلىرى (PA)، سۈنئىي ھەمراھ قوبۇللىغۇچلىرى (مەسىلەن، GaAs ئاساسلىق HEMT ترانزىستورلىرى).

لئوپتوئېلېكترون:

لازېرلىق دىئودلار (CD/DVD قوزغاتقۇچلىرى)، LED چىراغلار (قىزىل/ئىنفىرا قىزىل نۇر)، تالا ئوپتىك مودۇللار (InP لازېرلىرى).

لئالەم بوشلۇقى قۇياش ئېنېرگىيەسى باتارېيەلىرى:

GaAs ھۈجەيرىلىرى %30 ئۈنۈمگە ئېرىشىدۇ (كرېمنىينىڭ ئۈنۈمى تەخمىنەن %20 گە سېلىشتۇرغاندا)، بۇ سۈنئىي ھەمراھلار ئۈچۈن ئىنتايىن مۇھىم. 

لتېخنىكىلىق توسالغۇلار

يۇقىرى تەننەرخ GaAs/InP نى يۇقىرى دەرىجىلىك قوللىنىشچان پروگراممىلار بىلەنلا چەكلەپ قويىدۇ، بۇ ئۇلارنىڭ لوگىكا چىپلىرىدىكى كرېمنىينىڭ ئۈستۈنلۈكىنى ئالماشتۇرۇشىنىڭ ئالدىنى ئالىدۇ.

ئۈچىنچى ئەۋلاد يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەر (كەڭ بەلۋاغلىق يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەر): كرېمنىي كاربىد (SiC) ۋە گاللىي نىترىد (GaN)

تېخنىكا قوزغاتقۇچلىرى

ئېنېرگىيە ئىنقىلابى: ئېلېكتر ماشىنىلىرى ۋە قايتا ھاسىل بولىدىغان ئېنېرگىيە تورىنى بىرلەشتۈرۈش تېخىمۇ ئۈنۈملۈك ئېنېرگىيە ئۈسكۈنىلىرىنى تەلەپ قىلىدۇ.

يۇقىرى چاستوتا ئېھتىياجى: 5G ئالاقە ۋە رادار سىستېمىسى يۇقىرى چاستوتا ۋە قۇۋۋەت زىچلىقىنى تەلەپ قىلىدۇ.

ناچار مۇھىت: ئاۋىئاتسىيە ۋە سانائەت ماتورى ئىشلىتىشتە 200 سېلسىيە گرادۇستىن يۇقىرى تېمپېراتۇرىغا بەرداشلىق بېرەلەيدىغان ماتېرىياللار تەلەپ قىلىنىدۇ.

ماتېرىيال خۇسۇسىيەتلىرى

كەڭ بەلۋاغ بوشلۇقىنىڭ ئەۋزەللىكلىرى:

لSiC: 3.26eV توك يولى ئارىلىقى، بۇزۇلۇش ئېلېكتر مەيدانى كۈچلۈكلۈكى كرېمنىينىڭ 10 ھەسسىسىگە تەڭ، 10kV دىن يۇقىرى توك بېسىمىغا بەرداشلىق بېرەلەيدۇ.

لGaN: 3.4eV بەلۋاغ بوشلۇقى، ئېلېكتروننىڭ ھەرىكەتچانلىقى 2200 cm²/(V·s)، يۇقىرى چاستوتىلىق ئىقتىدار جەھەتتە ئەلا.

ئىسسىقلىق باشقۇرۇش:

SiC نىڭ ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى 4.9 W/(cm·K) غا يېتىدۇ، بۇ كرېمنىيدىن ئۈچ ھەسسە ياخشى، شۇڭا ئۇ يۇقىرى قۇۋۋەتلىك قوللىنىشچان پروگراممىلارغا ئەڭ ماس كېلىدۇ.

ماددىي قىيىنچىلىقلار

SiC: يەككە كىرىستاللىق ئۆسۈشنىڭ ئاستا بولۇشى ئۈچۈن 2000 سېلسىيە گرادۇستىن يۇقىرى تېمپېراتۇرا تەلەپ قىلىنىدۇ، بۇنىڭ نەتىجىسىدە ۋافتا كەمتۈكلۈكلىرى ۋە يۇقىرى تەننەرخ پەيدا بولىدۇ (6 دىيۇملۇق SiC ۋافتاسى كرېمنىيدىن 20 ھەسسە قىممەت).

GaN: تەبىئىي ئاساسىي قەۋىتى يوق، كۆپىنچە ساففىر، SiC ياكى كرېمنىي ئاساسىي قەۋىتىدە گېتېروئېپىتاكسىيە تەلەپ قىلىنىدۇ، بۇ تور ماس كەلمەسلىكى مەسىلىسىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.

ئاچقۇچلۇق قوللىنىشچان پروگراممىلار

ئېلېكترونلۇق ئېلېكترون مەھسۇلاتلىرى:

ئېلېكترونلۇق ماشىنىلارنىڭ ئۆزگەرتكۈچلىرى (مەسىلەن، Tesla Model 3 SiC MOSFET نى ئىشلىتىدۇ، بۇ ئۈنۈمنى %5-10 ئاشۇرىدۇ).

تېز قۇۋۋەتلەش پونكىتلىرى/ئۆزگەرتكۈچلىرى (GaN ئۈسكۈنىلىرى 100W+ تېز قۇۋۋەتلەشنى قوللايدۇ، شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا چوڭلۇقىنى %50 كىچىكلىتىدۇ).

رادىئو چاستوتا ئۈسكۈنىلىرى:

5G بازا ئىستانسىسىنىڭ قۇۋۋەت كۈچەيتكۈچلىرى (GaN-on-SiC PA لىرى mmWave چاستوتىسىنى قوللايدۇ).

ھەربىي رادار (GaN GaAs نىڭ قۇۋۋەت زىچلىقىنىڭ 5 ھەسسىسىگە تەڭ).

ئوپتوئېلېكترون:

UV LED (ستېرىللاشتۇرۇش ۋە سۇ سۈپىتىنى تەكشۈرۈشتە ئىشلىتىلىدىغان AlGaN ماتېرىياللىرى).

كەسىپ ئەھۋالى ۋە كەلگۈسىگە بولغان كۆز قاراش

SiC يۇقىرى قۇۋۋەتلىك بازاردا ئۈستۈنلۈكنى ئىگىلەيدۇ، ئاپتوموبىل دەرىجىلىك مودۇللار ئاللىبۇرۇن كۆپ مىقداردا ئىشلەپچىقىرىلىۋاتىدۇ، گەرچە تەننەرخى يەنىلا توسالغۇ بولۇپ تۇرسىمۇ.

GaN ئىستېمال ئېلېكترون مەھسۇلاتلىرى (تېز قۇۋۋەتلەش) ۋە رادىئو چاستوتا سىستېمىسى قاتارلىق ساھەلەردە تېز سۈرئەتتە كېڭىيىپ، 8 دىيۇملۇق ۋافېرلارغا قاراپ تەرەققىي قىلماقتا.

گاللىي ئوكسىد (Ga₂O₃، بەلۋاغ بوشلۇقى 4.8eV) ۋە ئالماس (5.5eV) قاتارلىق يېڭىدىن پەيدا بولۇۋاتقان ماتېرىياللار يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەرنىڭ «تۆتىنچى ئەۋلاد» نى شەكىللەندۈرۈپ، توك بېسىمى چەكلىمىسىنى 20kV دىن ئېشىپ كېتىشى مۇمكىن.

يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ئەۋلادلارنىڭ بىرلىكتە ياشىشى ۋە سىنگېرىيەسى

ئورنىنى ئالماشتۇرۇش ئەمەس، بەلكى تولۇقلاش:

كرېمنىي يەنىلا لوگىكا چىپلىرى ۋە ئىستېمال ئېلېكترون مەھسۇلاتلىرى ساھەسىدە ئاساسلىق ئورۇندا تۇرىدۇ (دۇنيا يېرىم ئۆتكۈزگۈچ بازىرىنىڭ %95 ى).

GaAs ۋە InP يۇقىرى چاستوتا ۋە ئوپتوئېلېكترونلۇق بوشلۇقلارغا ئىختىساسلاشقان.

SiC/GaN ئېنېرگىيە ۋە سانائەت ئىشلىرىدا ئورنىنى ئالالمايدۇ.

تېخنىكا بىرلەشتۈرۈش مىساللىرى:

GaN-on-Si: تېز قۇۋۋەتلەش ۋە رادىئو چاستوتا ئىشلىتىش ئۈچۈن GaN نى ئەرزان باھالىق كرېمنىي ئاساسى بىلەن بىرلەشتۈرىدۇ.

SiC-IGBT ئارىلاشما مودۇللىرى: تورغا ئايلاندۇرۇش ئۈنۈمىنى يۇقىرى كۆتۈرۈڭ.

كەلگۈسىدىكى يۈزلىنىشلەر:

ھەر خىل بىرلەشتۈرۈش: ئىقتىدار ۋە تەننەرخنى تەڭپۇڭلاشتۇرۇش ئۈچۈن ماتېرىياللارنى (مەسىلەن، Si + GaN) بىرلا چىپتا بىرلەشتۈرۈش.

ئۇلترا كەڭ بەلۋاغ بوشلۇقى ماتېرىياللىرى (مەسىلەن، Ga₂O₃، ئالماس) ئۇلترا يۇقىرى توك بېسىمى (>20kV) ۋە كۋانت ھېسابلاش قوللىنىشچان پروگراممىلىرىنى قوللىنىشقا شارائىت ھازىرلىشى مۇمكىن.

مۇناسىۋەتلىك ئىشلەپچىقىرىش

GaAs لازېر ئېپىتاكسىيال ۋافېرى 4 دىيۇملۇق 6 دىيۇملۇق

12 دىيۇملۇق SIC ئاساسى كرېمنىي كاربىد ئاساسلىق دەرىجىلىك دىئامېتىرى 300mm چوڭ رازمېرلىق 4H-N يۇقىرى قۇۋۋەتلىك ئۈسكۈنىلەرنىڭ ئىسسىقلىق تارقىتىشىغا ماس كېلىدۇ.