પ્રથમ પેઢીની બીજી પેઢીની ત્રીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી

સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ ત્રણ પરિવર્તનશીલ પેઢીઓ દ્વારા વિકસિત થયા છે:

પહેલી પેઢી (Si/Ge) એ આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સનો પાયો નાખ્યો,

માહિતી ક્રાંતિને શક્તિ આપવા માટે 2જી પેઢી (GaAs/InP) એ ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક અને ઉચ્ચ-આવર્તન અવરોધોને તોડી નાખ્યા,

3જી જનરેશન (SiC/GaN) હવે ઊર્જા અને આત્યંતિક-પર્યાવરણ પડકારોનો સામનો કરે છે, જે કાર્બન તટસ્થતા અને 6G યુગને સક્ષમ બનાવે છે.

આ પ્રગતિ ભૌતિક વિજ્ઞાનમાં વૈવિધ્યતાથી વિશેષતા તરફના એક આદર્શ પરિવર્તનને દર્શાવે છે.

1. પ્રથમ પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર્સ: સિલિકોન (Si) અને જર્મેનિયમ (Ge)

ઐતિહાસિક પૃષ્ઠભૂમિ

૧૯૪૭માં, બેલ લેબ્સે જર્મેનિયમ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ કરી, જે સેમિકન્ડક્ટર યુગની શરૂઆત દર્શાવે છે. ૧૯૫૦ના દાયકા સુધીમાં, સિલિકોન તેના સ્થિર ઓક્સાઇડ સ્તર (SiO₂) અને વિપુલ પ્રમાણમાં કુદરતી ભંડારને કારણે ધીમે ધીમે સંકલિત સર્કિટ (ICs) ના પાયા તરીકે જર્મેનિયમનું સ્થાન લઈ ગયું.

સામગ્રી ગુણધર્મો

Ⅰબેન્ડગેપ:

જર્મેનિયમ: 0.67eV (સાંકડી બેન્ડગેપ, લિકેજ કરંટની સંભાવના, નબળી ઉચ્ચ-તાપમાન કામગીરી).

સિલિકોન: 1.12eV (પરોક્ષ બેન્ડગેપ, લોજિક સર્કિટ માટે યોગ્ય પરંતુ પ્રકાશ ઉત્સર્જન માટે અસમર્થ).

Ⅱ,સિલિકોનના ફાયદા:

કુદરતી રીતે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ઓક્સાઇડ (SiO₂) બનાવે છે, જે MOSFET ફેબ્રિકેશનને સક્ષમ બનાવે છે.

ઓછી કિંમત અને માટીથી ભરપૂર (ક્રસ્ટલ રચનાના ~28%).

Ⅲ,મર્યાદાઓ:

ઓછી ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા (માત્ર 1500 cm²/(V·s)), ઉચ્ચ-આવર્તન કામગીરીને મર્યાદિત કરે છે.

નબળું વોલ્ટેજ/તાપમાન સહિષ્ણુતા (મહત્તમ ઓપરેટિંગ તાપમાન ~150°C).

મુખ્ય એપ્લિકેશનો

Ⅰ,ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ (ICs):

CPU, મેમરી ચિપ્સ (દા.ત., DRAM, NAND) ઉચ્ચ એકીકરણ ઘનતા માટે સિલિકોન પર આધાર રાખે છે.

ઉદાહરણ: ઇન્ટેલના 4004 (1971), પ્રથમ વ્યાપારી માઇક્રોપ્રોસેસર, 10μm સિલિકોન ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરતા હતા.

Ⅱ,પાવર ડિવાઇસીસ:

શરૂઆતના થાઇરિસ્ટર્સ અને લો-વોલ્ટેજ MOSFETs (દા.ત., PC પાવર સપ્લાય) સિલિકોન-આધારિત હતા.

પડકારો અને અપ્રચલિતતા

લીકેજ અને થર્મલ અસ્થિરતાને કારણે જર્મનિયમને તબક્કાવાર રીતે દૂર કરવામાં આવ્યું હતું. જોકે, ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઉચ્ચ-શક્તિના ઉપયોગોમાં સિલિકોનની મર્યાદાઓએ આગામી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટરના વિકાસને વેગ આપ્યો.

2 બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર્સ: ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) અને ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ (InP)

વિકાસ પૃષ્ઠભૂમિ

૧૯૭૦-૮૦ ના દાયકા દરમિયાન, મોબાઇલ કોમ્યુનિકેશન્સ, ઓપ્ટિકલ ફાઇબર નેટવર્ક્સ અને સેટેલાઇટ ટેકનોલોજી જેવા ઉભરતા ક્ષેત્રોએ ઉચ્ચ-આવર્તન અને કાર્યક્ષમ ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક સામગ્રીની માંગમાં વધારો કર્યો. આનાથી GaAs અને InP જેવા ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર્સની પ્રગતિ થઈ.

સામગ્રી ગુણધર્મો

બેન્ડગેપ અને ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક કામગીરી:

GaAs: 1.42eV (ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ, પ્રકાશ ઉત્સર્જનને સક્ષમ કરે છે—લેસર/LED માટે આદર્શ).

InP: 1.34eV (લાંબા-તરંગલંબાઇના કાર્યક્રમો માટે વધુ યોગ્ય, દા.ત., 1550nm ફાઇબર-ઓપ્ટિક સંચાર).

ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા:

GaAs 8500 cm²/(V·s) પ્રાપ્ત કરે છે, જે સિલિકોન (1500 cm²/(V·s)) કરતા ઘણું આગળ છે, જે તેને GHz-રેન્જ સિગ્નલ પ્રોસેસિંગ માટે શ્રેષ્ઠ બનાવે છે.

ગેરફાયદા

એલબરડ સબસ્ટ્રેટ: સિલિકોન કરતાં ઉત્પાદન કરવું મુશ્કેલ; GaAs વેફરની કિંમત 10× વધુ હોય છે.

એલકોઈ મૂળ ઓક્સાઇડ નથી: સિલિકોનના SiO₂ થી વિપરીત, GaAs/InP માં સ્થિર ઓક્સાઇડનો અભાવ છે, જે ઉચ્ચ-ઘનતા IC ઉત્પાદનને અવરોધે છે.

મુખ્ય એપ્લિકેશનો

એલRF ફ્રન્ટ-એન્ડ્સ:

મોબાઇલ પાવર એમ્પ્લીફાયર (PAs), સેટેલાઇટ ટ્રાન્સસીવર્સ (દા.ત., GaAs-આધારિત HEMT ટ્રાન્ઝિસ્ટર).

એલઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સ:

લેસર ડાયોડ્સ (CD/DVD ડ્રાઇવ્સ), LEDs (લાલ/ઇન્ફ્રારેડ), ફાઇબર-ઓપ્ટિક મોડ્યુલ્સ (InP લેસરો).

એલઅવકાશ સૌર કોષો:

GaAs કોષો 30% કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે (સિલિકોન માટે ~20% વિરુદ્ધ), જે ઉપગ્રહો માટે મહત્વપૂર્ણ છે. 

એલટેકનોલોજીકલ અવરોધો

ઊંચા ખર્ચ GaAs/InP ને વિશિષ્ટ હાઇ-એન્ડ એપ્લિકેશનો સુધી મર્યાદિત રાખે છે, જે તેમને લોજિક ચિપ્સમાં સિલિકોનના વર્ચસ્વને વિસ્થાપિત કરતા અટકાવે છે.

ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર્સ (વાઇડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર્સ): સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) અને ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ (GaN)

ટેકનોલોજી ડ્રાઇવરો

ઊર્જા ક્રાંતિ: ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને નવીનીકરણીય ઊર્જા ગ્રીડ એકીકરણ વધુ કાર્યક્ષમ પાવર ઉપકરણોની માંગ કરે છે.

ઉચ્ચ-આવર્તન જરૂરિયાતો: 5G સંચાર અને રડાર સિસ્ટમ્સને ઉચ્ચ આવર્તન અને પાવર ઘનતાની જરૂર પડે છે.

આત્યંતિક વાતાવરણ: એરોસ્પેસ અને ઔદ્યોગિક મોટર એપ્લિકેશનોને 200°C થી વધુ તાપમાનનો સામનો કરવા સક્ષમ સામગ્રીની જરૂર પડે છે.

સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ

વાઈડ બેન્ડગેપના ફાયદા:

એલSiC: 3.26eV નો બેન્ડગેપ, બ્રેકડાઉન ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ સ્ટ્રેન્થ સિલિકોન કરતા 10×, 10kV થી વધુ વોલ્ટેજનો સામનો કરવા સક્ષમ.

એલGaN: 3.4eV નો બેન્ડગેપ, 2200 cm²/(V·s) ની ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા, ઉચ્ચ-આવર્તન કામગીરીમાં ઉત્કૃષ્ટ.

થર્મલ મેનેજમેન્ટ:

SiC ની થર્મલ વાહકતા 4.9 W/(cm·K) સુધી પહોંચે છે, જે સિલિકોન કરતા ત્રણ ગણી સારી છે, જે તેને ઉચ્ચ-શક્તિના ઉપયોગો માટે આદર્શ બનાવે છે.

ભૌતિક પડકારો

SiC: ધીમી સિંગલ-ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિ માટે 2000°C થી વધુ તાપમાનની જરૂર પડે છે, જેના પરિણામે વેફર ખામીઓ અને ઊંચી કિંમત (6-ઇંચનું SiC વેફર સિલિકોન કરતાં 20× વધુ મોંઘું છે) થાય છે.

GaN: કુદરતી સબસ્ટ્રેટનો અભાવ હોય છે, જેને કારણે ઘણીવાર નીલમ, SiC, અથવા સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર હેટરોએપિટેક્ષીની જરૂર પડે છે, જેના કારણે જાળીના મેળ ખાતી સમસ્યાઓ થાય છે.

મુખ્ય એપ્લિકેશનો

પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ:

EV ઇન્વર્ટર (દા.ત., ટેસ્લા મોડેલ 3 SiC MOSFETs નો ઉપયોગ કરે છે, જે કાર્યક્ષમતામાં 5-10% સુધારો કરે છે).

ફાસ્ટ-ચાર્જિંગ સ્ટેશન/એડેપ્ટર (GaN ઉપકરણો 100W+ ફાસ્ટ ચાર્જિંગ સક્ષમ કરે છે જ્યારે કદ 50% ઘટાડે છે).

RF ઉપકરણો:

5G બેઝ સ્ટેશન પાવર એમ્પ્લીફાયર (GaN-on-SiC PAs mmWave ફ્રીક્વન્સીને સપોર્ટ કરે છે).

લશ્કરી રડાર (GaN GaAs ની 5× પાવર ઘનતા પ્રદાન કરે છે).

ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સ:

યુવી એલઈડી (વંધ્યીકરણ અને પાણીની ગુણવત્તા તપાસમાં વપરાતી AlGaN સામગ્રી).

ઉદ્યોગની સ્થિતિ અને ભવિષ્યની સંભાવનાઓ

SiC હાઇ-પાવર માર્કેટમાં પ્રભુત્વ ધરાવે છે, ઓટોમોટિવ-ગ્રેડ મોડ્યુલ્સ પહેલાથી જ મોટા પાયે ઉત્પાદનમાં છે, જોકે ખર્ચ એક અવરોધ રહે છે.

GaN કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ (ફાસ્ટ ચાર્જિંગ) અને RF એપ્લિકેશન્સમાં ઝડપથી વિસ્તરણ કરી રહ્યું છે, 8-ઇંચ વેફર્સ તરફ આગળ વધી રહ્યું છે.

ગેલિયમ ઓક્સાઇડ (Ga₂O₃, બેન્ડગેપ 4.8eV) અને હીરા (5.5eV) જેવા ઉભરતા પદાર્થો સેમિકન્ડક્ટરની "ચોથી પેઢી" બનાવી શકે છે, જે વોલ્ટેજ મર્યાદાને 20kV થી આગળ ધપાવે છે.

સેમિકન્ડક્ટર પેઢીઓનું સહઅસ્તિત્વ અને સિનર્જી

પૂરકતા, રિપ્લેસમેન્ટ નહીં:

લોજિક ચિપ્સ અને કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ (વૈશ્વિક સેમિકન્ડક્ટર બજારના 95%) માં સિલિકોન પ્રભુત્વ ધરાવે છે.

GaAs અને InP ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક માળખામાં નિષ્ણાત છે.

ઊર્જા અને ઔદ્યોગિક ઉપયોગોમાં SiC/GaN અનિવાર્ય છે.

ટેકનોલોજી એકીકરણ ઉદાહરણો:

GaN-on-Si: ઝડપી ચાર્જિંગ અને RF એપ્લિકેશન માટે GaN ને ઓછા ખર્ચે સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ સાથે જોડે છે.

SiC-IGBT હાઇબ્રિડ મોડ્યુલ્સ: ગ્રીડ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતામાં સુધારો.

ભવિષ્યના વલણો:

વિજાતીય એકીકરણ: કામગીરી અને ખર્ચને સંતુલિત કરવા માટે એક જ ચિપ પર સામગ્રી (દા.ત., Si + GaN) નું સંયોજન.

અલ્ટ્રા-વાઇડ બેન્ડગેપ મટિરિયલ્સ (દા.ત., Ga₂O₃, ડાયમંડ) અલ્ટ્રા-હાઇ-વોલ્ટેજ (>20kV) અને ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ એપ્લિકેશન્સને સક્ષમ કરી શકે છે.

સંબંધિત ઉત્પાદન

GaAs લેસર એપિટેક્સિયલ વેફર 4 ઇંચ 6 ઇંચ

૧૨ ઇંચ SIC સબસ્ટ્રેટ સિલિકોન કાર્બાઇડ પ્રાઇમ ગ્રેડ વ્યાસ ૩૦૦ મીમી મોટો કદ ૪H-N હાઇ પાવર ડિવાઇસ હીટ ડિસીપેશન માટે યોગ્ય