Tha stuthan leth-sheoltairean air atharrachadh tro thrì ginealaichean atharrachail:
Chuir a’ chiad ghinealach (Si/Ge) bunait eileagtronaig an latha an-diugh,
Bhris an 2na ginealach (GaAs/InP) tro bhacaidhean optoelectronic agus àrd-tricead gus cumhachd a thoirt don ar-a-mach fiosrachaidh,
Tha an 3mh ginealach (SiC/GaN) a-nis a’ dèiligeadh ri dùbhlain lùtha is àrainneachd anabarrach, a’ comasachadh neodrachd charboin agus linn 6G.
Tha an adhartas seo a’ nochdadh gluasad paradigm bho ioma-chruthachd gu speisealachadh ann an saidheans stuthan.
1. Leth-sheoladairean a’ Chiad Ghinealach: Silicon (Si) agus Germanium (Ge)
Eachdraidh Eachdraidheil
Ann an 1947, chruthaich Bell Labs an transistor gearmàiniam, a’ comharrachadh toiseach linn nan leth-chonnsachaidh. Ro na 1950an, ghabh silicon àite gearmàiniam mean air mhean mar bhunait chuairtean amalaichte (ICn) air sgàth an t-sreath ocsaid sheasmhach (SiO₂) agus na stòrasan nàdarra pailt aige.
Feartan Stuthan
ⅠBeàrn-chòmhlain:
Gearmanium: 0.67eV (beàrn-còmhlain chumhang, buailteach do shruth aodion, droch choileanadh aig teòthachd àrd).
Silicon: 1.12eV (beàrn-còmhlain neo-dhìreach, freagarrach airson cuairtean loidsig ach gun chomas solas a sgaoileadh).
Ⅱ,Buannachdan Silicon:
Bidh e gu nàdarrach a’ cruthachadh ogsaid àrd-inbhe (SiO₂), a’ comasachadh MOSFET a dhèanamh.
Cosgais ìseal agus pailt air an talamh (~28% de cho-dhèanamh na rùsg).
Ⅲ,Cuingealachaidhean:
Gluasadachd ìosal dealanach (dìreach 1500 cm²/(V·s)), a’ cuingealachadh coileanadh àrd-tricead.
Fulangas lag bholtaids/teòthachd (teòthachd obrachaidh as àirde ~150°C).
Prìomh Thagraidhean
Ⅰ,Cearcallan Amalaichte (ICn):
Bidh CPUan, sgoltagan cuimhne (me, DRAM, NAND) an urra ri silicon airson dùmhlachd amalachaidh àrd.
Eisimpleir: Chleachd 4004 (1971) aig Intel, a’ chiad mhicro-phròiseasar malairteach, teicneòlas silicon 10μm.
Ⅱ,Innealan Cumhachd:
Bha thyristors tràtha agus MOSFETan bholtaids ìseal (me, solar cumhachd PC) stèidhichte air silicon.
Dùbhlain & Seann-fhasanta
Chaidh gearmanium a thoirt a-mach mean air mhean air sgàth aodion agus neo-sheasmhachd teirmeach. Ach, bhrosnaich cuingealachaidhean silicon ann an optoelectronics agus tagraidhean àrd-chumhachd leasachadh leth-sheoladairean den ath ghinealach.
2Leth-sheoladairean an Dàrna Ginealach: Gallium Arsenide (GaAs) agus Indium Phosphide (InP)
Eachdraidh Leasachaidh
Rè na 1970an–1980an, chruthaich raointean ùra leithid conaltradh gluasadach, lìonraidhean snàithleach optaigeach, agus teicneòlas saideal iarrtas mòr airson stuthan optoelectronic àrd-tricead agus èifeachdach. Thug seo air adhartas leth-sheoladairean beàrn-chòmhlain dhìreach leithid GaAs agus InP.
Feartan Stuthan
Coileanadh Beàrn-chòmhlain & Optoelectronic:
GaAs: 1.42eV (beàrn-chòmhlain dhìreach, a’ comasachadh sgaoileadh solais—freagarrach airson leusairean/LEDs).
InP: 1.34eV (nas freagarraiche airson tagraidhean tonn-fhada, me, conaltradh snàithleach-optaigeach 1550nm).
Gluasadachd dealanach:
Bidh GaAs a’ coileanadh 8500 cm²/(V·s), a tha fada nas fheàrr na silicon (1500 cm²/(V·s)), ga dhèanamh freagarrach airson giullachd chomharran raon GHz.
Eas-bhuannachdan
lBun-stuthan brisg: Nas duilghe a dhèanamh na silicon; tha wafers GaAs 10x nas daoire.
lGun ocsaid dhùthchasach: Eu-coltach ri SiO₂ silicon, chan eil ocsaidichean seasmhach aig GaAs/InP, a tha a’ cur bacadh air saothrachadh IC àrd-dùmhlachd.
Prìomh Thagraidhean
lAghaidhean RF:
Amplifiers cumhachd gluasadach (PAn), tar-chuirichean saideal (me, transistors HEMT stèidhichte air GaAs).
lOptoelectronics:
Diodean leusair (draibhean CD/DVD), LEDs (dearg/infridhearg), modalan snàth-optaigeach (leusairean InP).
lCeallan Grèine Fànais:
Bidh ceallan GaAs a’ coileanadh èifeachdas 30% (an coimeas ri ~20% airson silicon), rud a tha deatamach do shaidealan.
lBacaidhean Teicneòlais
Tha cosgaisean àrda a’ cuingealachadh GaAs/InP ri tagraidhean àrd-ìre sònraichte, gan casg bho bhith a’ cur às do cheannas silicon ann an sgoltagan loidsig.
Leth-sheoladairean an Treas Ginealach (Leth-sheoladairean Beàrn-Leathann): Silicon Carbide (SiC) agus Gallium Nitride (GaN)
Draibhearan Teicneòlais
Ar-a-mach Lùtha: Tha feum air innealan cumhachd nas èifeachdaiche airson carbadan dealain agus amalachadh griod lùth ath-nuadhachail.
Feumalachdan Àrd-tricead: Feumaidh siostaman conaltraidh is radar 5G triceadan agus dùmhlachd cumhachd nas àirde.
Àrainneachdan anabarrach: Feumaidh tagraidhean motair itealain is gnìomhachais stuthan a tha comasach air seasamh ri teòthachd os cionn 200°C.
Feartan Stuth
Buannachdan Beàrn-bann Leathann:
lSiC: Beàrn-còmhlain de 3.26eV, neart achaidh dealain briseadh-sìos 10 uiread neart raon dealain silicon, comasach air seasamh ri bholtaids os cionn 10kV.
lGaN: Beàrn-chòmhlain de 3.4eV, gluasad dealanach de 2200 cm²/(V·s), air leth math ann an coileanadh àrd-tricead.
Riaghladh Teirmeach:
Tha seoltachd teirmeach SiC a’ ruighinn 4.9 W/(cm·K), trì tursan nas fheàrr na silicon, ga dhèanamh freagarrach airson tagraidhean àrd-chumhachd.
Dùbhlain Stuthan
SiC: Feumaidh fàs slaodach aon-chriostail teòthachd os cionn 2000°C, agus mar thoradh air sin bidh lochdan ann an uaifearan agus cosgaisean àrda (tha uaifear SiC 6-òirleach 20 uair nas daoire na silicon).
GaN: Chan eil fo-strat nàdarra ann, agus gu tric bidh feum air heteroepitaxy air fo-stratan sapphire, SiC, no silicon, agus mar thoradh air sin bidh cùisean mì-cho-fhreagarrachd laitís ann.
Prìomh Thagraidhean
Leictreonaic Cumhachd:
Bidh inverters EV (me, bidh Tesla Model 3 a’ cleachdadh SiC MOSFETs, a’ leasachadh èifeachdas 5–10%).
Stèiseanan/innealan-atharrachaidh luath-chosgais (bidh innealan GaN a’ comasachadh cosgais luath 100W+ agus a’ lughdachadh meud le 50%).
Innealan RF:
Amplifiers cumhachd stèisean-bonn 5G (tha PAn GaN-air-SiC a’ toirt taic do triceadan mmWave).
Radar armailteach (tha GaN a’ tabhann dùmhlachd cumhachd 5 uiread nas motha na GaAs).
Optoelectronics:
LEDan UV (stuthan AlGaN a thathas a’ cleachdadh ann an sterilachadh agus lorg càileachd uisge).
Inbhe Gnìomhachais agus Sealladh san Àm ri Teachd
Tha SiC a’ faighinn làmh an uachdair air a’ mhargaidh àrd-chumhachd, le modalan ìre chàraichean mu thràth gan dèanamh gu mòr, ged a tha cosgaisean fhathast na bhacadh.
Tha GaN a’ leudachadh gu luath ann an eileagtronaig luchd-cleachdaidh (cosgais luath) agus tagraidhean RF, ag atharrachadh a dh’ionnsaigh wafers 8-òirleach.
Dh’fhaodadh stuthan a tha a’ tighinn am bàrr leithid ogsaid gallium (Ga₂O₃, beàrn-chòmhlain 4.8eV) agus daoimean (5.5eV) “ceathramh ginealach” de leth-sheoladairean a chruthachadh, a’ putadh crìochan bholtaids nas fhaide na 20kV.
Co-sheasmhachd agus Co-obrachadh Ginealaichean Leth-sheoltairean
Co-phàirteachas, chan e àite:
Tha silicon fhathast na phrìomh mhargaidh ann an sgoltagan loidsig agus electronics luchd-cleachdaidh (95% de mhargaidh leth-chonnsachaidh na cruinne).
Tha GaAs agus InP a’ speisealachadh ann an àiteachan àrd-tricead agus optoelectronic.
Tha SiC/GaN do-sheachanta ann an tagraidhean lùtha is gnìomhachais.
Eisimpleirean de dh’aonachadh teicneòlais:
GaN-air-Si: A’ cothlamadh GaN le fo-stratan silicon aig prìs ìseal airson cosgais luath agus tagraidhean RF.
Modalan tar-chinealach SiC-IGBT: Èifeachdas tionndaidh a’ ghriod a leasachadh.
Gluasadan san Àm ri Teachd:
Amalachadh neo-aonghnèitheach: A’ cothlamadh stuthan (me, Si + GaN) air aon chip gus cothromachadh a dhèanamh eadar coileanadh agus cosgais.
Dh’fhaodadh stuthan le beàrn-bann fìor-fharsaing (me, Ga₂O₃, daoimean) tagraidhean coimpiutaireachd bholtaids fìor àrd (>20kV) agus cuantamach a chomasachadh.
Riochdachadh co-cheangailte
Uabhar epitaxial leusair GaAs 4 òirleach 6 òirleach
Fo-strat SIC 12 òirleach de shìlicon carbide prìomh ìre trast-thomhas 300mm meud mòr 4H-N Freagarrach airson sgaoileadh teas inneal cumhachd àrd
Àm puist: 7 Cèitean 2025