ඊළඟ පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක උපස්ථර: නිල් මැණික්, සිලිකන් සහ සිලිකන් කාබයිඩ්

අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ දී, උපස්ථර යනු උපාංග ක්‍රියාකාරිත්වය රඳා පවතින මූලික ද්‍රව්‍ය වේ. ඒවායේ භෞතික, තාප සහ විද්‍යුත් ගුණාංග කාර්යක්ෂමතාව, විශ්වසනීයත්වය සහ යෙදුම් විෂය පථයට සෘජුවම බලපායි. සියලු විකල්ප අතර, නිල් මැණික් (Al₂O₃), සිලිකන් (Si) සහ සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC) වඩාත් බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර බවට පත්ව ඇති අතර, ඒ සෑම එකක්ම විවිධ තාක්‍ෂණික ක්ෂේත්‍රවල විශිෂ්ටයි. මෙම ලිපිය ඒවායේ ද්‍රව්‍යමය ලක්ෂණ, යෙදුම් භූ දර්ශන සහ අනාගත සංවර්ධන ප්‍රවණතා ගවේෂණය කරයි.

නිල් මැණික්: දෘශ්‍ය වැඩ අශ්වයා

නිල් මැණික් යනු ෂඩාස්‍රාකාර දැලිසක් සහිත ඇලුමිනියම් ඔක්සයිඩ් වල තනි-ස්ඵටික ආකාරයකි. එහි ප්‍රධාන ගුණාංග අතරට සුවිශේෂී දෘඪතාව (මෝස් දෘඪතාව 9), පාරජම්බුල කිරණ සිට අධෝරක්ත කිරණ දක්වා පුළුල් දෘශ්‍ය විනිවිදභාවය සහ ශක්තිමත් රසායනික ප්‍රතිරෝධය ඇතුළත් වන අතර එමඟින් එය දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංග සහ කටුක පරිසරයන් සඳහා වඩාත් සුදුසු වේ. තාප හුවමාරු ක්‍රමය සහ කයිරොපොලොස් ක්‍රමය වැනි උසස් වර්ධන ශිල්පීය ක්‍රම, රසායනික-යාන්ත්‍රික ඔප දැමීම (CMP) සමඟ ඒකාබද්ධව, උප-නැනෝමීටර මතුපිට රළුබව සහිත වේෆර් නිපදවයි.

LED සහ ක්ෂුද්‍ර LED වල GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර ලෙස නිල් මැණික් උපස්ථර බහුලව භාවිතා වන අතර, එහිදී රටා සහිත නිල් මැණික් උපස්ථර (PSS) ආලෝකය නිස්සාරණය කිරීමේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කරයි. ඒවායේ විද්‍යුත් පරිවාරක ගුණාංග නිසා ඒවා අධි-සංඛ්‍යාත RF උපාංගවල සහ පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සහ අභ්‍යවකාශ යෙදුම්වල ආරක්ෂිත කවුළු සහ සංවේදක ආවරණ ලෙසද භාවිතා වේ. සීමාවන් අතරට සාපේක්ෂව අඩු තාප සන්නායකතාවය (35–42 W/m·K) සහ GaN සමඟ දැලිස් නොගැලපීම ඇතුළත් වන අතර, ඒ සඳහා දෝෂ අවම කිරීම සඳහා බෆර් ස්ථර අවශ්‍ය වේ.

සිලිකන්: ක්ෂුද්‍ර ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් පදනම

සිලිකන් එහි පරිණත කාර්මික පරිසර පද්ධතිය, මාත්‍රණය හරහා වෙනස් කළ හැකි විද්‍යුත් සන්නායකතාවය සහ මධ්‍යස්ථ තාප ගුණාංග (තාප සන්නායකතාවය ~150 W/m·K, ද්‍රවාංකය 1410°C) හේතුවෙන් සාම්ප්‍රදායික ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල කොඳු නාරටිය ලෙස පවතී. CPU, මතකය සහ තාර්කික උපාංග ඇතුළුව ඒකාබද්ධ පරිපථවලින් 90% කට වඩා සිලිකන් වේෆර් මත නිපදවා ඇත. සිලිකන් ප්‍රකාශ වෝල්ටීයතා සෛලවල ද ආධිපත්‍යය දරන අතර IGBT සහ MOSFET වැනි අඩු-මධ්‍යම බල උපාංගවල බහුලව භාවිතා වේ.

කෙසේ වෙතත්, ආලෝක විමෝචන කාර්යක්ෂමතාව සීමා කරන එහි පටු කලාප පරතරය (1.12 eV) සහ වක්‍ර කලාප පරතරය හේතුවෙන් සිලිකන් අධි වෝල්ටීයතා සහ අධි සංඛ්‍යාත යෙදීම්වල අභියෝගවලට මුහුණ දෙයි.

සිලිකන් කාබයිඩ්: අධි බලැති නවෝත්පාදකයා

SiC යනු පුළුල් කලාප පරතරයක් (3.2 eV), ඉහළ බිඳවැටීමේ වෝල්ටීයතාවයක් (3 MV/cm), ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (~490 W/m·K) සහ වේගවත් ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්තෘප්ත ප්‍රවේගය (~2×10⁷ cm/s) සහිත තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යයකි. මෙම ලක්ෂණ එය අධි වෝල්ටීයතා, අධි බලැති සහ අධි සංඛ්‍යාත උපාංග සඳහා වඩාත් සුදුසු කරයි. SiC උපස්ථර සාමාන්‍යයෙන් සංකීර්ණ සහ නිරවද්‍ය සැකසුම් අවශ්‍යතා සහිතව 2000°C ඉක්මවන උෂ්ණත්වවලදී භෞතික වාෂ්ප ප්‍රවාහනය (PVT) හරහා වගා කෙරේ.

යෙදුම් අතරට SiC MOSFET මඟින් ඉන්වර්ටර් කාර්යක්ෂමතාව 5–10% කින් වැඩි දියුණු කරන විදුලි වාහන, GaN RF උපාංග සඳහා අර්ධ පරිවාරක SiC භාවිතා කරන 5G සන්නිවේදන පද්ධති සහ 30% දක්වා බලශක්ති පාඩු අඩු කරන අධි වෝල්ටීයතා සෘජු ධාරා (HVDC) සම්ප්‍රේෂණයක් සහිත ස්මාර්ට් ජාලක ඇතුළත් වේ. සීමාවන් වන්නේ අධික පිරිවැය (අඟල් 6 ක වේෆර් සිලිකන් වලට වඩා 20–30 ගුණයකින් මිල අධිකය) සහ අධික දෘඪතාව හේතුවෙන් සැකසුම් අභියෝග ය.

අනුපූරක භූමිකාවන් සහ අනාගත දැක්ම

නිල් මැණික්, සිලිකන් සහ SiC අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ අනුපූරක උපස්ථර පරිසර පද්ධතියක් සාදයි. නිල් මැණික් දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාවේ ආධිපත්‍යය දරන අතර, සිලිකන් සාම්ප්‍රදායික ක්ෂුද්‍ර ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව සහ අඩු-මධ්‍යම බල උපාංග සඳහා සහය දක්වයි, සහ SiC අධි-වෝල්ටීයතා, අධි-සංඛ්‍යාත සහ ඉහළ-කාර්යක්ෂම බල ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව මෙහෙයවයි.

අනාගත සංවර්ධනයන් අතරට ගැඹුරු-UV LED සහ ක්ෂුද්‍ර-LED වල නිල් මැණික් යෙදුම් පුළුල් කිරීම, Si-පාදක GaN heteroepitaxy අධි-සංඛ්‍යාත කාර්ය සාධනය වැඩි දියුණු කිරීමට හැකියාව ලබා දීම සහ වැඩිදියුණු කළ අස්වැන්න සහ පිරිවැය කාර්යක්ෂමතාව සමඟ SiC වේෆර් නිෂ්පාදනය අඟල් 8 දක්වා පරිමාණය කිරීම ඇතුළත් වේ. එක්ව, මෙම ද්‍රව්‍ය 5G, AI සහ විදුලි සංචලනය හරහා නවෝත්පාදනයන් මෙහෙයවමින්, ඊළඟ පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක තාක්ෂණය හැඩගස්වයි.