మొదటి తరం రెండవ తరం మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు

సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు మూడు పరివర్తన తరాల ద్వారా పరిణామం చెందాయి:

1వ తరం (Si/Ge) ఆధునిక ఎలక్ట్రానిక్స్‌కు పునాది వేసింది,

సమాచార విప్లవానికి శక్తినిచ్చేందుకు 2వ తరం (GaAs/InP) ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ మరియు హై-ఫ్రీక్వెన్సీ అడ్డంకులను ఛేదించింది,

3వ తరం (SiC/GaN) ఇప్పుడు శక్తి మరియు తీవ్ర-పర్యావరణ సవాళ్లను పరిష్కరిస్తుంది, కార్బన్ తటస్థత మరియు 6G యుగాన్ని అనుమతిస్తుంది.

ఈ పురోగతి భౌతిక శాస్త్రంలో బహుముఖ ప్రజ్ఞ నుండి ప్రత్యేకతకు ఒక నమూనా మార్పును వెల్లడిస్తుంది.

1. మొదటి తరం సెమీకండక్టర్స్: సిలికాన్ (Si) మరియు జెర్మేనియం (Ge)

చారిత్రక నేపథ్యం

1947లో, బెల్ ల్యాబ్స్ జెర్మేనియం ట్రాన్సిస్టర్‌ను కనిపెట్టింది, ఇది సెమీకండక్టర్ యుగం యొక్క ఆరంభాన్ని సూచిస్తుంది. 1950ల నాటికి, దాని స్థిరమైన ఆక్సైడ్ పొర (SiO₂) మరియు సమృద్ధిగా ఉన్న సహజ నిల్వల కారణంగా సిలికాన్ క్రమంగా ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌ల (ICలు) పునాదిగా జెర్మేనియం స్థానంలోకి వచ్చింది.

మెటీరియల్ లక్షణాలు

Ⅰ Ⅰ (ఎ)బ్యాండ్‌గ్యాప్:

జెర్మేనియం: 0.67eV (ఇరుకైన బ్యాండ్‌గ్యాప్, లీకేజ్ కరెంట్‌కు అవకాశం, పేలవమైన అధిక-ఉష్ణోగ్రత పనితీరు).

సిలికాన్: 1.12eV (పరోక్ష బ్యాండ్‌గ్యాప్, లాజిక్ సర్క్యూట్‌లకు అనుకూలం కానీ కాంతి ఉద్గారానికి అసమర్థం).

Ⅱ,సిలికాన్ యొక్క ప్రయోజనాలు:

సహజంగానే అధిక-నాణ్యత ఆక్సైడ్ (SiO₂) ను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది MOSFET తయారీని అనుమతిస్తుంది.

తక్కువ ఖర్చు మరియు భూమి సమృద్ధిగా ఉంటుంది (క్రస్టల్ కూర్పులో ~28%).

Ⅲ、,పరిమితులు:

తక్కువ ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ (కేవలం 1500 సెం.మీ²/(V·s)), అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పనితీరును పరిమితం చేస్తుంది.

బలహీనమైన వోల్టేజ్/ఉష్ణోగ్రత సహనం (గరిష్ట ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత. ~150°C).

కీలక అనువర్తనాలు

Ⅰ、,ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లు (ICలు):

CPUలు, మెమరీ చిప్‌లు (ఉదా., DRAM, NAND) అధిక ఇంటిగ్రేషన్ సాంద్రత కోసం సిలికాన్‌పై ఆధారపడతాయి.

ఉదాహరణ: మొదటి వాణిజ్య మైక్రోప్రాసెసర్ అయిన ఇంటెల్ యొక్క 4004 (1971), 10μm సిలికాన్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించింది.

Ⅱ,విద్యుత్ పరికరాలు:

తొలి థైరిస్టర్లు మరియు తక్కువ-వోల్టేజ్ MOSFETలు (ఉదా. PC విద్యుత్ సరఫరాలు) సిలికాన్ ఆధారితమైనవి.

సవాళ్లు & వాడుకలో లేకపోవడం

లీకేజీ మరియు ఉష్ణ అస్థిరత కారణంగా జెర్మేనియం దశలవారీగా తొలగించబడింది. అయితే, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు అధిక-శక్తి అనువర్తనాలలో సిలికాన్ యొక్క పరిమితులు తదుపరి తరం సెమీకండక్టర్ల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహించాయి.

2 రెండవ తరం సెమీకండక్టర్లు: గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) మరియు ఇండియం ఫాస్ఫైడ్ (InP)

అభివృద్ధి నేపథ్యం

1970-1980ల కాలంలో, మొబైల్ కమ్యూనికేషన్స్, ఆప్టికల్ ఫైబర్ నెట్‌వర్క్‌లు మరియు ఉపగ్రహ సాంకేతికత వంటి అభివృద్ధి చెందుతున్న రంగాలు అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు సమర్థవంతమైన ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పదార్థాలకు డిమాండ్‌ను సృష్టించాయి. ఇది GaAs మరియు InP వంటి డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ల పురోగతికి దారితీసింది.

మెటీరియల్ లక్షణాలు

బ్యాండ్‌గ్యాప్ & ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పనితీరు:

GaAs: 1.42eV (ప్రత్యక్ష బ్యాండ్‌గ్యాప్, కాంతి ఉద్గారాన్ని అనుమతిస్తుంది—లేజర్‌లు/LEDలకు అనువైనది).

InP: 1.34eV (దీర్ఘ-తరంగదైర్ఘ్య అనువర్తనాలకు బాగా సరిపోతుంది, ఉదా., 1550nm ఫైబర్-ఆప్టిక్ కమ్యూనికేషన్లు).

ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ:

GaAs 8500 cm²/(V·s) సాధిస్తుంది, ఇది సిలికాన్ (1500 cm²/(V·s)) ను చాలా మించిపోయింది, ఇది GHz-శ్రేణి సిగ్నల్ ప్రాసెసింగ్‌కు అనుకూలమైనదిగా చేస్తుంది.

ప్రతికూలతలు

ఎల్.పెళుసుగా ఉండే ఉపరితలాలు: సిలికాన్ కంటే తయారు చేయడం కష్టం; GaAs వేఫర్‌ల ధర 10× ఎక్కువ.

ఎల్.స్థానిక ఆక్సైడ్ లేదు: సిలికాన్ యొక్క SiO₂ వలె కాకుండా, GaAs/InP స్థిరమైన ఆక్సైడ్‌లను కలిగి ఉండవు, ఇది అధిక సాంద్రత కలిగిన IC తయారీకి ఆటంకం కలిగిస్తుంది.

కీలక అనువర్తనాలు

ఎల్.RF ఫ్రంట్-ఎండ్స్:

మొబైల్ పవర్ యాంప్లిఫైయర్లు (PAలు), ఉపగ్రహ ట్రాన్స్‌సీవర్లు (ఉదా., GaAs-ఆధారిత HEMT ట్రాన్సిస్టర్లు).

ఎల్.ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్:

లేజర్ డయోడ్‌లు (CD/DVD డ్రైవ్‌లు), LEDలు (ఎరుపు/ఇన్‌ఫ్రారెడ్), ఫైబర్-ఆప్టిక్ మాడ్యూల్స్ (InP లేజర్‌లు).

ఎల్.అంతరిక్ష సౌర ఘటాలు:

GaAs కణాలు 30% సామర్థ్యాన్ని సాధిస్తాయి (సిలికాన్‌కు ~20% తో పోలిస్తే), ఇది ఉపగ్రహాలకు చాలా ముఖ్యమైనది. 

ఎల్.సాంకేతిక అడ్డంకులు

అధిక ఖర్చులు GaAs/InP ని హై-ఎండ్ అప్లికేషన్లకు పరిమితం చేస్తాయి, లాజిక్ చిప్‌లలో సిలికాన్ ఆధిపత్యాన్ని స్థానభ్రంశం చేయకుండా నిరోధిస్తాయి.

మూడవ తరం సెమీకండక్టర్స్ (వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్స్): సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) మరియు గాలియం నైట్రైడ్ (GaN)

టెక్నాలజీ డ్రైవర్లు

శక్తి విప్లవం: విద్యుత్ వాహనాలు మరియు పునరుత్పాదక ఇంధన గ్రిడ్ అనుసంధానం మరింత సమర్థవంతమైన విద్యుత్ పరికరాలను కోరుతున్నాయి.

అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ అవసరాలు: 5G కమ్యూనికేషన్లు మరియు రాడార్ వ్యవస్థలకు అధిక ఫ్రీక్వెన్సీలు మరియు శక్తి సాంద్రత అవసరం.

విపరీత వాతావరణాలు: అంతరిక్ష మరియు పారిశ్రామిక మోటారు అనువర్తనాలకు 200°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలను తట్టుకోగల పదార్థాలు అవసరం.

మెటీరియల్ లక్షణాలు

వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ ప్రయోజనాలు:

ఎల్.SiC: బ్యాండ్‌గ్యాప్ 3.26eV, బ్రేక్‌డౌన్ ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ బలం సిలికాన్ కంటే 10×, 10kV కంటే ఎక్కువ వోల్టేజ్‌లను తట్టుకోగలదు.

ఎల్.GaN: 3.4eV బ్యాండ్‌గ్యాప్, 2200 cm²/(V·s) ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ, అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పనితీరులో అత్యుత్తమమైనది.

ఉష్ణ నిర్వహణ:

SiC యొక్క ఉష్ణ వాహకత 4.9 W/(cm·K)కి చేరుకుంటుంది, ఇది సిలికాన్ కంటే మూడు రెట్లు మెరుగ్గా ఉంటుంది, ఇది అధిక-శక్తి అనువర్తనాలకు అనువైనదిగా చేస్తుంది.

మెటీరియల్ సవాళ్లు

SiC: నెమ్మదిగా ఏక-స్ఫటిక పెరుగుదలకు 2000°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు అవసరం, దీని ఫలితంగా వేఫర్ లోపాలు మరియు అధిక ఖర్చులు ఏర్పడతాయి (6-అంగుళాల SiC వేఫర్ సిలికాన్ కంటే 20× ఖరీదైనది).

GaN: సహజమైన ఉపరితలం లేకపోవడం, తరచుగా నీలమణి, SiC లేదా సిలికాన్ ఉపరితలాలపై హెటెరోఎపిటాక్సీ అవసరం, ఇది లాటిస్ అసమతుల్యత సమస్యలకు దారితీస్తుంది.

కీలక అనువర్తనాలు

పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్:

EV ఇన్వర్టర్లు (ఉదాహరణకు, టెస్లా మోడల్ 3 SiC MOSFET లను ఉపయోగిస్తుంది, సామర్థ్యాన్ని 5–10% మెరుగుపరుస్తుంది).

ఫాస్ట్-ఛార్జింగ్ స్టేషన్లు/అడాప్టర్లు (GaN పరికరాలు 100W+ ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్‌ను ప్రారంభిస్తాయి మరియు పరిమాణాన్ని 50% తగ్గిస్తాయి).

RF పరికరాలు:

5G బేస్ స్టేషన్ పవర్ యాంప్లిఫైయర్లు (GaN-on-SiC PAలు mmWave ఫ్రీక్వెన్సీలకు మద్దతు ఇస్తాయి).

మిలిటరీ రాడార్ (GaN GaA ల శక్తి సాంద్రతను 5× అందిస్తుంది).

ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్:

UV LED లు (స్టెరిలైజేషన్ మరియు నీటి నాణ్యత గుర్తింపులో ఉపయోగించే AlGaN పదార్థాలు).

పరిశ్రమ స్థితి మరియు భవిష్యత్తు దృక్పథం

SiC అధిక-శక్తి మార్కెట్‌లో ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది, ఆటోమోటివ్-గ్రేడ్ మాడ్యూల్స్ ఇప్పటికే భారీ ఉత్పత్తిలో ఉన్నాయి, అయినప్పటికీ ఖర్చులు ఒక అవరోధంగా ఉన్నాయి.

GaN వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ (ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్) మరియు RF అప్లికేషన్లలో వేగంగా విస్తరిస్తోంది, 8-అంగుళాల వేఫర్‌ల వైపు మారుతోంది.

గాలియం ఆక్సైడ్ (Ga₂O₃, బ్యాండ్‌గ్యాప్ 4.8eV) మరియు డైమండ్ (5.5eV) వంటి ఉద్భవిస్తున్న పదార్థాలు "నాల్గవ తరం" సెమీకండక్టర్లను ఏర్పరుస్తాయి, వోల్టేజ్ పరిమితులను 20kV దాటి నెట్టివేస్తాయి.

సెమీకండక్టర్ తరాల సహజీవనం మరియు సినర్జీ

పూరకత్వం, భర్తీ కాదు:

లాజిక్ చిప్స్ మరియు కన్స్యూమర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ (ప్రపంచ సెమీకండక్టర్ మార్కెట్‌లో 95%) లో సిలికాన్ ఆధిపత్యం చెలాయించింది.

GaAs మరియు InP అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ నిచ్‌లలో ప్రత్యేకత కలిగి ఉన్నాయి.

శక్తి మరియు పారిశ్రామిక అనువర్తనాల్లో SiC/GaNలు భర్తీ చేయలేనివి.

టెక్నాలజీ ఇంటిగ్రేషన్ ఉదాహరణలు:

GaN-on-Si: వేగవంతమైన ఛార్జింగ్ మరియు RF అప్లికేషన్ల కోసం తక్కువ-ధర సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో GaN ని మిళితం చేస్తుంది.

SiC-IGBT హైబ్రిడ్ మాడ్యూల్స్: గ్రిడ్ మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచండి.

భవిష్యత్తు ధోరణులు:

విజాతీయ ఏకీకరణ: పనితీరు మరియు వ్యయాన్ని సమతుల్యం చేయడానికి పదార్థాలను (ఉదా. Si + GaN) ఒకే చిప్‌పై కలపడం.

అల్ట్రా-వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ పదార్థాలు (ఉదా., Ga₂O₃, డైమండ్) అల్ట్రా-హై-వోల్టేజ్ (>20kV) మరియు క్వాంటం కంప్యూటింగ్ అప్లికేషన్‌లను ప్రారంభించవచ్చు.

సంబంధిత ఉత్పత్తి

GaAs లేజర్ ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ 4 అంగుళాలు 6 అంగుళాలు

12 అంగుళాల SIC సబ్‌స్ట్రేట్ సిలికాన్ కార్బైడ్ ప్రైమ్ గ్రేడ్ వ్యాసం 300mm పెద్ద సైజు 4H-N అధిక శక్తి పరికరం వేడి వెదజల్లడానికి అనుకూలం