ວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນທີໜຶ່ງ ລຸ້ນທີສອງ ລຸ້ນທີສາມ

ວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳໄດ້ພັດທະນາຜ່ານສາມລຸ້ນການປ່ຽນແປງຄື:

ລຸ້ນທີ 1 (Si/Ge) ໄດ້ວາງຮາກຖານຂອງເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ທັນສະໄໝ,

ລຸ້ນທີ 2 (GaAs/InP) ໄດ້ທະລຸຜ່ານອຸປະສັກທາງດ້ານອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກ ແລະ ຄວາມຖີ່ສູງ ເພື່ອຂັບເຄື່ອນການປະຕິວັດຂໍ້ມູນຂ່າວສານ,

ລຸ້ນທີ 3 (SiC/GaN) ໃນປັດຈຸບັນສາມາດແກ້ໄຂບັນຫາພະລັງງານ ແລະ ສິ່ງທ້າທາຍດ້ານສິ່ງແວດລ້ອມທີ່ຮຸນແຮງ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ເປັນກາງກາກບອນ ແລະ ຍຸກ 6G.

ຄວາມຄືບໜ້ານີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງການປ່ຽນແປງແບບຢ່າງຈາກຄວາມຄ່ອງແຄ້ວໄປສູ່ຄວາມຊ່ຽວຊານດ້ານວິທະຍາສາດວັດສະດຸ.

1. ເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນທຳອິດ: ຊິລິໂຄນ (Si) ແລະ ເຈີມານຽມ (Ge)

ພື້ນຖານປະຫວັດສາດ

ໃນປີ 1947, Bell Labs ໄດ້ປະດິດທຣານຊິດເຕີ germanium, ເຊິ່ງເປັນຈຸດເລີ່ມຕົ້ນຂອງຍຸກເຄິ່ງຕົວນຳ. ຮອດຊຸມປີ 1950, ຊິລິໂຄນໄດ້ຄ່ອຍໆທົດແທນ germanium ເປັນພື້ນຖານຂອງວົງຈອນລວມ (ICs) ເນື່ອງຈາກຊັ້ນອົກໄຊດ໌ທີ່ໝັ້ນຄົງ (SiO₂) ແລະ ແຫຼ່ງສະຫງວນທຳມະຊາດທີ່ອຸດົມສົມບູນ.

ຄຸນສົມບັດຂອງວັດສະດຸ

ຊັ້ນ Iຊ່ອງຫວ່າງແບນວິດ:

ເຢຍລະມັນຽມ: 0.67 eV (bandgap ແຄບ, ກະແສໄຟຟ້າຮົ່ວໄຫຼ, ປະສິດທິພາບອຸນຫະພູມສູງບໍ່ດີ).

ຊິລິໂຄນ: 1.12 eV (ຊ່ອງແບນທາງອ້ອມ, ເໝາະສົມສຳລັບວົງຈອນຕາມເຫດຜົນແຕ່ບໍ່ສາມາດປ່ອຍແສງໄດ້).

ທີສອງ,ຂໍ້ດີຂອງຊິລິໂຄນ:

ເຮັດໃຫ້ເກີດອົກໄຊດ໌ທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງ (SiO₂) ຕາມທຳມະຊາດ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ສາມາດຜະລິດ MOSFET ໄດ້.

ລາຄາຖືກ ແລະ ອຸດົມສົມບູນດ້ວຍດິນ (ປະມານ 28% ຂອງສ່ວນປະກອບຂອງເປືອກໂລກ).

III,ຂໍ້ຈຳກັດ:

ການເຄື່ອນທີ່ຂອງເອເລັກຕຣອນຕ່ຳ (ພຽງແຕ່ 1500 cm²/(V·s)), ຈຳກັດປະສິດທິພາບຄວາມຖີ່ສູງ.

ຄວາມທົນທານຕໍ່ແຮງດັນ/ອຸນຫະພູມອ່ອນ (ອຸນຫະພູມປະຕິບັດການສູງສຸດ ~150°C).

ແອັບພລິເຄຊັນຫຼັກ

Ⅰ,ວົງຈອນປະສົມປະສານ (ICs):

CPU, ຊິບໜ່ວຍຄວາມຈຳ (ເຊັ່ນ DRAM, NAND) ແມ່ນອີງໃສ່ຊິລິໂຄນສຳລັບຄວາມໜາແໜ້ນຂອງການເຊື່ອມໂຍງສູງ.

ຕົວຢ່າງ: Intel's 4004 (1971), ໄມໂຄຣໂປເຊດເຊີທາງການຄ້າເຄື່ອງທຳອິດ, ໄດ້ໃຊ້ເທັກໂນໂລຢີຊິລິໂຄນ 10μm.

ທີສອງ,ອຸປະກອນພະລັງງານ:

ໄທຣິສເຕີຕົ້ນໆ ແລະ MOSFETs ແຮງດັນຕ່ຳ (ເຊັ່ນ: ແຫຼ່ງຈ່າຍໄຟ PC) ແມ່ນອີງໃສ່ຊິລິໂຄນ.

ສິ່ງທ້າທາຍ ແລະ ຄວາມລ້າສະໄໝ

ເຈມານຽມໄດ້ຖືກຍົກເລີກໄປເທື່ອລະກ້າວຍ້ອນການຮົ່ວໄຫຼ ແລະ ຄວາມບໍ່ໝັ້ນຄົງທາງຄວາມຮ້ອນ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ຂໍ້ຈຳກັດຂອງຊິລິກອນໃນອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກ ແລະ ການນຳໃຊ້ພະລັງງານສູງໄດ້ກະຕຸ້ນການພັດທະນາຂອງເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນຕໍ່ໄປ.

2 ເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນທີສອງ: ແກລຽມອາເຊໄນ (GaAs) ແລະ ອິນດຽມຟອສຟໍໄຟດ (InP)

ພື້ນຖານການພັດທະນາ

ໃນລະຫວ່າງຊຸມປີ 1970-1980, ຂົງເຂດທີ່ພົ້ນເດັ່ນຂຶ້ນເຊັ່ນ: ການສື່ສານມືຖື, ເຄືອຂ່າຍເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ, ແລະ ເຕັກໂນໂລຊີດາວທຽມໄດ້ສ້າງຄວາມຕ້ອງການອັນຮີບດ່ວນສຳລັບວັດສະດຸອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ມີຄວາມຖີ່ສູງ ແລະ ມີປະສິດທິພາບ. ສິ່ງນີ້ໄດ້ຊຸກຍູ້ຄວາມກ້າວໜ້າຂອງເຄິ່ງຕົວນຳແບນຊ່ອງໂດຍກົງເຊັ່ນ: GaAs ແລະ InP.

ຄຸນສົມບັດຂອງວັດສະດຸ

ປະສິດທິພາບຂອງ Bandgap ແລະ Optoelectronic:

GaAs: 1.42 eV (bandgap ໂດຍກົງ, ຊ່ວຍໃຫ້ສາມາດປ່ອຍແສງໄດ້—ເໝາະສຳລັບເລເຊີ/LED).

InP: 1.34 eV (ເໝາະສົມກວ່າສຳລັບການນຳໃຊ້ຄື້ນຍາວ, ຕົວຢ່າງ, ການສື່ສານເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ 1550nm).

ການເຄື່ອນທີ່ຂອງເອເລັກຕຣອນ:

GaAs ບັນລຸໄດ້ 8500 cm²/(V·s), ເຊິ່ງເກີນກວ່າຊິລິໂຄນຫຼາຍ (1500 cm²/(V·s)), ເຮັດໃຫ້ມັນດີທີ່ສຸດສຳລັບການປະມວນຜົນສັນຍານລະດັບ GHz.

ຂໍ້ເສຍປຽບ

ລວັດສະດຸຮອງທີ່ແຕກຫັກງ່າຍ: ຜະລິດຍາກກວ່າຊິລິໂຄນ; ແຜ່ນເວເຟີ GaAs ມີລາຄາແພງກວ່າ 10 ເທົ່າ.

ລບໍ່ມີອົກໄຊດ໌ພື້ນເມືອງ: ບໍ່ເຫມືອນກັບ SiO₂ ຂອງຊິລິໂຄນ, GaAs/InP ຂາດອົກໄຊດ໌ທີ່ໝັ້ນຄົງ, ເຊິ່ງເປັນອຸປະສັກຕໍ່ການຜະລິດ IC ຄວາມໜາແໜ້ນສູງ.

ແອັບພລິເຄຊັນຫຼັກ

ລRF Front-Ends:

ເຄື່ອງຂະຫຍາຍສັນຍານພະລັງງານເຄື່ອນທີ່ (PAs), ເຄື່ອງຮັບສົ່ງສັນຍານດາວທຽມ (ເຊັ່ນ: ທຣານຊິດເຕີ HEMT ທີ່ອີງໃສ່ GaAs).

ລອອບໂຕອີເລັກໂທຣນິກ:

ໄດໂອດເລເຊີ (ໄດຣ CD/DVD), ໄຟ LED (ສີແດງ/ອິນຟາເຣດ), ໂມດູນເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ (ເລເຊີ InP).

ລເຊວແສງອາທິດໃນອາວະກາດ:

ຈຸລັງ GaAs ບັນລຸປະສິດທິພາບ 30% (ທຽບກັບ ~20% ສຳລັບຊິລິກອນ), ເຊິ່ງມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບດາວທຽມ. 

ລອຸປະສັກທາງດ້ານເຕັກໂນໂລຊີ

ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງຈຳກັດ GaAs/InP ໃຫ້ກັບແອັບພລິເຄຊັນລະດັບສູງ, ປ້ອງກັນບໍ່ໃຫ້ພວກມັນມາແທນທີ່ຄວາມໂດດເດັ່ນຂອງຊິລິໂຄນໃນຊິບຕັກກະສາດ.

ເຄື່ອງເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນທີສາມ (ເຄື່ອງເຄິ່ງຕົວນຳແບນກວ້າງ): ຊິລິກອນຄາໄບ (SiC) ແລະ ແກລຽມໄນໄຕຣດ (GaN)

ຕົວຂັບເຄື່ອນເຕັກໂນໂລຊີ

ການປະຕິວັດພະລັງງານ: ພາຫະນະໄຟຟ້າ ແລະ ການເຊື່ອມໂຍງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າພະລັງງານທົດແທນຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີອຸປະກອນພະລັງງານທີ່ມີປະສິດທິພາບຫຼາຍຂຶ້ນ.

ຄວາມຕ້ອງການຄວາມຖີ່ສູງ: ການສື່ສານ 5G ແລະລະບົບ radar ຕ້ອງການຄວາມຖີ່ ແລະ ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານທີ່ສູງຂຶ້ນ.

ສະພາບແວດລ້ອມທີ່ຮຸນແຮງ: ການນຳໃຊ້ເຄື່ອງຈັກອາວະກາດ ແລະ ອຸດສາຫະກຳຕ້ອງການວັດສະດຸທີ່ສາມາດທົນກັບອຸນຫະພູມເກີນ 200°C.

ລັກສະນະວັດສະດຸ

ຂໍ້ດີຂອງ Bandgap ກວ້າງ:

ລSiC: ແຖບຄວາມຖີ່ 3.26 eV, ຄວາມແຮງຂອງສະໜາມໄຟຟ້າທີ່ແຕກຫັກ 10 ເທົ່າຂອງຊິລິກອນ, ສາມາດທົນຕໍ່ແຮງດັນໄຟຟ້າໄດ້ຫຼາຍກວ່າ 10kV.

ລGaN: ແຖບຄວາມຖີ່ 3.4 eV, ການເຄື່ອນທີ່ຂອງເອເລັກຕຣອນ 2200 cm²/(V·s), ມີປະສິດທິພາບຄວາມຖີ່ສູງທີ່ດີເລີດ.

ການຄຸ້ມຄອງຄວາມຮ້ອນ:

ຄວາມນຳຄວາມຮ້ອນຂອງ SiC ສູງເຖິງ 4.9 W/(cm·K), ດີກ່ວາຊິລິໂຄນເຖິງສາມເທົ່າ, ເຮັດໃຫ້ມັນເໝາະສົມສຳລັບການນຳໃຊ້ພະລັງງານສູງ.

ສິ່ງທ້າທາຍດ້ານວັດຖຸ

SiC: ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກດຽວທີ່ຊ້າໆຕ້ອງການອຸນຫະພູມສູງກວ່າ 2000°C, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ເກີດຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງແຜ່ນເວເຟີ ແລະ ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງ (ແຜ່ນເວເຟີ SiC ຂະໜາດ 6 ນິ້ວມີລາຄາແພງກວ່າຊິລິກອນ 20 ເທົ່າ).

GaN: ຂາດຊັ້ນຮອງພື້ນທຳມະຊາດ, ມັກຕ້ອງການ heteroepitaxy ໃນຊັ້ນຮອງພື້ນ sapphire, SiC, ຫຼື silicon, ເຊິ່ງນຳໄປສູ່ບັນຫາ lattice mismatch.

ແອັບພລິເຄຊັນຫຼັກ

ເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານ:

ອິນເວີເຕີ EV (ຕົວຢ່າງ, Tesla Model 3 ໃຊ້ SiC MOSFETs, ເຊິ່ງປັບປຸງປະສິດທິພາບໄດ້ 5–10%).

ສະຖານີ/ອະແດບເຕີສາກໄຟໄວ (ອຸປະກອນ GaN ຊ່ວຍໃຫ້ສາມາດສາກໄຟໄວໄດ້ 100W+ ໃນຂະນະທີ່ຫຼຸດຂະໜາດລົງ 50%).

ອຸປະກອນ RF:

ເຄື່ອງຂະຫຍາຍພະລັງງານສະຖານີຖານ 5G (GaN-on-SiC PAs ຮອງຮັບຄວາມຖີ່ mmWave).

radar ທາງທະຫານ (GaN ສະເໜີຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານ 5 ເທົ່າຂອງ GaAs).

ອອບໂຕອີເລັກໂທຣນິກ:

ໄຟ LED UV (ວັດສະດຸ AlGaN ທີ່ໃຊ້ໃນການຂ້າເຊື້ອ ແລະ ການກວດຈັບຄຸນນະພາບນ້ຳ).

ສະຖານະພາບອຸດສາຫະກໍາ ແລະ ທັດສະນະໃນອະນາຄົດ

SiC ຄອບງຳຕະຫຼາດພະລັງງານສູງ, ໂດຍມີໂມດູນລະດັບລົດຍົນທີ່ຜະລິດເປັນຈຳນວນຫຼວງຫຼາຍແລ້ວ, ເຖິງແມ່ນວ່າຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຍັງຄົງເປັນອຸປະສັກ.

GaN ກຳລັງຂະຫຍາຍຕົວຢ່າງໄວວາໃນການນຳໃຊ້ເຄື່ອງໃຊ້ໄຟຟ້າສຳລັບຜູ້ບໍລິໂພກ (ການສາກໄຟໄວ) ແລະ RF, ໂດຍກຳລັງຫັນປ່ຽນໄປສູ່ເວເຟີຂະໜາດ 8 ນິ້ວ.

ວັດສະດຸທີ່ພົ້ນເດັ່ນຂຶ້ນມາໃໝ່ເຊັ່ນ: ແກລຽມອອກໄຊ (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) ແລະ ເພັດ (5.5eV) ອາດຈະປະກອບເປັນ "ລຸ້ນທີສີ່" ຂອງເຄິ່ງຕົວນຳ, ເຊິ່ງຍູ້ຂີດຈຳກັດແຮງດັນໄຟຟ້າເກີນ 20kV.

ການຢູ່ຮ່ວມກັນ ແລະ ການຮ່ວມມືກັນຂອງລຸ້ນເຄິ່ງຕົວນຳ

ການເສີມ, ບໍ່ແມ່ນການທົດແທນ:

ຊິລິໂຄນຍັງຄົງມີຄວາມໂດດເດັ່ນໃນຊິບຕັກກະສາດ ແລະ ເຄື່ອງໃຊ້ໄຟຟ້າສຳລັບຜູ້ບໍລິໂພກ (95% ຂອງຕະຫຼາດເຄິ່ງຕົວນຳທົ່ວໂລກ).

GaAs ແລະ InP ມີຄວາມຊ່ຽວຊານໃນດ້ານຄວາມຖີ່ສູງ ແລະ optoelectronic.

SiC/GaN ແມ່ນສິ່ງທີ່ບໍ່ສາມາດທົດແທນໄດ້ໃນການນໍາໃຊ້ພະລັງງານ ແລະ ອຸດສາຫະກໍາ.

ຕົວຢ່າງການເຊື່ອມໂຍງເຕັກໂນໂລຊີ:

GaN-on-Si: ປະສົມປະສານ GaN ກັບຊັ້ນຮອງຊິລິໂຄນລາຄາຖືກ ສຳລັບການສາກໄຟໄວ ແລະ ການນຳໃຊ້ RF.

ໂມດູນປະສົມ SiC-IGBT: ປັບປຸງປະສິດທິພາບການປ່ຽນແປງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າ.

ແນວໂນ້ມໃນອະນາຄົດ:

ການເຊື່ອມໂຍງທີ່ບໍ່ເປັນເອກະພາບ: ການລວມວັດສະດຸ (ເຊັ່ນ: Si + GaN) ໃສ່ໃນຊິບດຽວເພື່ອດຸ່ນດ່ຽງປະສິດທິພາບ ແລະ ຕົ້ນທຶນ.

ວັດສະດຸແຖບແບນບ໌ກວ້າງພິເສດ (ເຊັ່ນ: Ga₂O₃, ເພັດ) ອາດເຮັດໃຫ້ສາມາດໃຊ້ງານໄຟຟ້າແຮງດັນສູງພິເສດ (>20kV) ແລະ ຄອມພິວເຕີ້ຄວອນຕຳໄດ້.

ການຜະລິດທີ່ກ່ຽວຂ້ອງ

ແຜ່ນເວເຟີ epitaxial ເລເຊີ GaAs ຂະໜາດ 4 ນິ້ວ 6 ນິ້ວ

ຊິລິກອນຄາໄບ SIC ຂະໜາດ 12 ນິ້ວ ຊັ້ນດີ ມີເສັ້ນຜ່າສູນກາງ 300 ມມ ຂະໜາດໃຫຍ່ 4H-N ເໝາະສຳລັບການລະບາຍຄວາມຮ້ອນຂອງອຸປະກອນພະລັງງານສູງ