पहिली पिढी दुसरी पिढी तिसरी पिढी अर्धवाहक साहित्य

अर्धवाहक पदार्थ तीन परिवर्तनकारी पिढ्यांमधून विकसित झाले आहेत:

पहिली पिढी (Si/Ge) ने आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सचा पाया घातला,

माहिती क्रांतीला चालना देण्यासाठी दुसऱ्या पिढीने (GaAs/InP) ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी अडथळे पार केले,

तिसरी पिढी (SiC/GaN) आता ऊर्जा आणि अत्यंत पर्यावरणीय आव्हानांना तोंड देते, ज्यामुळे कार्बन न्यूट्रॅलिटी आणि 6G युग सक्षम होते.

ही प्रगती बहुमुखी प्रतिभेपासून भौतिक विज्ञानातील विशेषज्ञतेकडे एक आदर्श बदल दर्शवते.

१. पहिल्या पिढीतील अर्धवाहक: सिलिकॉन (Si) आणि जर्मेनियम (Ge)

ऐतिहासिक पार्श्वभूमी

१९४७ मध्ये, बेल लॅब्सने जर्मेनियम ट्रान्झिस्टरचा शोध लावला, ज्यामुळे सेमीकंडक्टर युगाची सुरुवात झाली. १९५० च्या दशकापर्यंत, स्थिर ऑक्साईड थर (SiO₂) आणि मुबलक नैसर्गिक साठ्यामुळे एकात्मिक सर्किट्स (ICs) चा पाया म्हणून सिलिकॉनने हळूहळू जर्मेनियमची जागा घेतली.

साहित्य गुणधर्म

Ⅰबँडगॅप:

जर्मेनियम: ०.६७eV (अरुंद बँडगॅप, गळती करंट होण्याची शक्यता, उच्च-तापमानाची खराब कामगिरी).

सिलिकॉन: १.१२eV (अप्रत्यक्ष बँडगॅप, लॉजिक सर्किटसाठी योग्य परंतु प्रकाश उत्सर्जन करण्यास असमर्थ).

Ⅱ,सिलिकॉनचे फायदे:

नैसर्गिकरित्या उच्च-गुणवत्तेचा ऑक्साईड (SiO₂) तयार होतो, ज्यामुळे MOSFET फॅब्रिकेशन शक्य होते.

कमी खर्च आणि माती भरपूर (कवच रचनेच्या ~२८%).

Ⅲ,मर्यादा:

कमी इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (फक्त १५०० सेमी²/(V·s)), उच्च-फ्रिक्वेन्सी कामगिरी मर्यादित करते.

कमकुवत व्होल्टेज/तापमान सहनशीलता (कमाल ऑपरेटिंग तापमान ~१५०°C).

प्रमुख अनुप्रयोग

Ⅰ,एकात्मिक सर्किट्स (ICs):

सीपीयू, मेमरी चिप्स (उदा., डीआरएएम, नँड) उच्च एकात्मता घनतेसाठी सिलिकॉनवर अवलंबून असतात.

उदाहरण: इंटेलच्या ४००४ (१९७१), पहिल्या व्यावसायिक मायक्रोप्रोसेसरमध्ये १०μm सिलिकॉन तंत्रज्ञानाचा वापर करण्यात आला.

Ⅱ,पॉवर उपकरणे:

सुरुवातीचे थायरिस्टर्स आणि कमी-व्होल्टेज MOSFETs (उदा., PC पॉवर सप्लाय) सिलिकॉन-आधारित होते.

आव्हाने आणि अप्रचलितता

गळती आणि थर्मल अस्थिरतेमुळे जर्मेनियम टप्प्याटप्प्याने बंद करण्यात आले. तथापि, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि उच्च-शक्तीच्या अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉनच्या मर्यादांमुळे पुढील पिढीतील अर्धवाहकांच्या विकासाला चालना मिळाली.

२ दुसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक: गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) आणि इंडियम फॉस्फाइड (InP)

विकासाची पार्श्वभूमी

१९७० ते १९८० च्या दशकात, मोबाईल कम्युनिकेशन्स, ऑप्टिकल फायबर नेटवर्क्स आणि सॅटेलाइट तंत्रज्ञानासारख्या उदयोन्मुख क्षेत्रांमुळे उच्च-फ्रिक्वेन्सी आणि कार्यक्षम ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सामग्रीची मागणी वाढली. यामुळे GaAs आणि InP सारख्या डायरेक्ट बँडगॅप सेमीकंडक्टरची प्रगती झाली.

साहित्य गुणधर्म

बँडगॅप आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक कामगिरी:

GaAs: 1.42eV (थेट बँडगॅप, प्रकाश उत्सर्जन सक्षम करते—लेसर/LED साठी आदर्श).

InP: 1.34eV (लांब-तरंगलांबी अनुप्रयोगांसाठी अधिक योग्य, उदा., 1550nm फायबर-ऑप्टिक संप्रेषण).

इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:

GaAs 8500 cm²/(V·s) पर्यंत पोहोचते, जे सिलिकॉन (1500 cm²/(V·s)) पेक्षा खूपच जास्त आहे, ज्यामुळे ते GHz-श्रेणी सिग्नल प्रक्रियेसाठी इष्टतम बनते.

तोटे

एलठिसूळ थर: सिलिकॉनपेक्षा उत्पादन करणे कठीण; GaAs वेफर्सची किंमत १०× जास्त असते.

एलमूळ ऑक्साईड नाही: सिलिकॉनच्या SiO₂ विपरीत, GaAs/InP मध्ये स्थिर ऑक्साईड नसतात, ज्यामुळे उच्च-घनता IC निर्मितीमध्ये अडथळा येतो.

प्रमुख अनुप्रयोग

एलआरएफ फ्रंट-एंड्स:

मोबाईल पॉवर अॅम्प्लिफायर्स (PAs), सॅटेलाइट ट्रान्सीव्हर्स (उदा., GaAs-आधारित HEMT ट्रान्झिस्टर).

एलऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:

लेसर डायोड (सीडी/डीव्हीडी ड्राइव्ह), एलईडी (लाल/इन्फ्रारेड), फायबर-ऑप्टिक मॉड्यूल (इनपी लेसर).

एलअवकाशातील सौर पेशी:

GaAs पेशी ३०% कार्यक्षमता साध्य करतात (सिलिकॉनसाठी ~२०% विरुद्ध), उपग्रहांसाठी अत्यंत महत्त्वाचे. 

एलतांत्रिक अडचणी

उच्च किमती GaAs/InP ला विशिष्ट उच्च-स्तरीय अनुप्रयोगांपुरते मर्यादित करतात, ज्यामुळे त्यांना लॉजिक चिप्समध्ये सिलिकॉनचे वर्चस्व विस्थापित होण्यापासून रोखले जाते.

तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक (वाइड-बँडगॅप अर्धवाहक): सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN)

तंत्रज्ञान चालक

ऊर्जा क्रांती: इलेक्ट्रिक वाहने आणि अक्षय ऊर्जा ग्रिड एकत्रीकरणासाठी अधिक कार्यक्षम ऊर्जा उपकरणांची आवश्यकता आहे.

उच्च-फ्रिक्वेन्सी गरजा: 5G कम्युनिकेशन्स आणि रडार सिस्टीमना उच्च फ्रिक्वेन्सी आणि पॉवर घनता आवश्यक असते.

अत्यंत वातावरण: अवकाश आणि औद्योगिक मोटर अनुप्रयोगांना २००°C पेक्षा जास्त तापमान सहन करण्यास सक्षम साहित्याची आवश्यकता असते.

साहित्याची वैशिष्ट्ये

वाइड बँडगॅपचे फायदे:

एलSiC: बँडगॅप 3.26eV, ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ सिलिकॉनपेक्षा 10×, 10kV पेक्षा जास्त व्होल्टेज सहन करण्यास सक्षम.

एलGaN: ३.४eV चा बँडगॅप, २२०० cm²/(V·s) ची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च-फ्रिक्वेन्सी कामगिरीमध्ये उत्कृष्ट.

औष्णिक व्यवस्थापन:

SiC ची थर्मल चालकता ४.९ W/(cm·K) पर्यंत पोहोचते, जी सिलिकॉनपेक्षा तिप्पट चांगली आहे, ज्यामुळे ती उच्च-शक्तीच्या अनुप्रयोगांसाठी आदर्श बनते.

भौतिक आव्हाने

SiC: मंद सिंगल-क्रिस्टल वाढीसाठी २०००°C पेक्षा जास्त तापमान आवश्यक असते, ज्यामुळे वेफर दोष आणि उच्च खर्च येतो (६-इंच SiC वेफर सिलिकॉनपेक्षा २०× जास्त महाग असतो).

GaN: नैसर्गिक सब्सट्रेटचा अभाव, अनेकदा नीलमणी, SiC किंवा सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर विषम-एपिटॅक्सीची आवश्यकता असते, ज्यामुळे जाळीच्या विसंगतीच्या समस्या उद्भवतात.

प्रमुख अनुप्रयोग

पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स:

ईव्ही इन्व्हर्टर (उदा. टेस्ला मॉडेल ३ मध्ये SiC MOSFETs वापरतात, ज्यामुळे कार्यक्षमता ५-१०% वाढते).

जलद-चार्जिंग स्टेशन/अ‍ॅडॉप्टर (GaN उपकरणे १००W+ जलद चार्जिंग सक्षम करतात आणि आकार ५०% कमी करतात).

आरएफ उपकरणे:

५जी बेस स्टेशन पॉवर अॅम्प्लिफायर्स (GaN-on-SiC PAs mmWave फ्रिक्वेन्सीला सपोर्ट करतात).

मिलिटरी रडार (GaN GaAs च्या पॉवर डेन्सिटीच्या 5× देते).

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:

यूव्ही एलईडी (निर्जंतुकीकरण आणि पाण्याची गुणवत्ता शोधण्यासाठी वापरले जाणारे अल्जीएएन साहित्य).

उद्योग स्थिती आणि भविष्यातील दृष्टीकोन

उच्च-शक्तीच्या बाजारपेठेत SiC चा वरचष्मा आहे, ऑटोमोटिव्ह-ग्रेड मॉड्यूल्सचे उत्पादन आधीच मोठ्या प्रमाणात सुरू आहे, जरी खर्च हा एक अडथळा आहे.

GaN ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स (जलद चार्जिंग) आणि RF अनुप्रयोगांमध्ये वेगाने विस्तारत आहे, 8-इंच वेफर्सकडे वळत आहे.

गॅलियम ऑक्साईड (Ga₂O₃, बँडगॅप 4.8eV) आणि डायमंड (5.5eV) सारखे उदयोन्मुख पदार्थ अर्धवाहकांची "चौथी पिढी" तयार करू शकतात, ज्यामुळे व्होल्टेज मर्यादा 20kV पेक्षा जास्त होऊ शकते.

सेमीकंडक्टर पिढ्यांचे सहअस्तित्व आणि समन्वय

पूरकता, बदली नाही:

लॉजिक चिप्स आणि कंझ्युमर इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये (जागतिक सेमीकंडक्टर मार्केटच्या ९५%) सिलिकॉनचे वर्चस्व आहे.

GaAs आणि InP उच्च-फ्रिक्वेन्सी आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक निशेसमध्ये विशेषज्ञ आहेत.

ऊर्जा आणि औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये SiC/GaN हे अपूरणीय आहेत.

तंत्रज्ञान एकत्रीकरणाची उदाहरणे:

GaN-on-Si: जलद चार्जिंग आणि RF अनुप्रयोगांसाठी कमी किमतीच्या सिलिकॉन सब्सट्रेट्ससह GaN एकत्र करते.

SiC-IGBT हायब्रिड मॉड्यूल्स: ग्रिड रूपांतरण कार्यक्षमता सुधारा.

भविष्यातील ट्रेंड:

विषम एकात्मता: कामगिरी आणि खर्च संतुलित करण्यासाठी एकाच चिपवर साहित्य (उदा. Si + GaN) एकत्र करणे.

अल्ट्रा-वाइड बँडगॅप मटेरियल (उदा., Ga₂O₃, डायमंड) अल्ट्रा-हाय-व्होल्टेज (>२०kV) आणि क्वांटम कंप्युटिंग अनुप्रयोग सक्षम करू शकतात.

संबंधित उत्पादन

GaAs लेसर एपिटॅक्सियल वेफर ४ इंच ६ इंच

१२ इंच एसआयसी सब्सट्रेट सिलिकॉन कार्बाइड प्राइम ग्रेड व्यास ३०० मिमी मोठा आकार ४H-N उच्च पॉवर उपकरण उष्णता नष्ट करण्यासाठी योग्य