ಮುಂದಿನ ಪೀಳಿಗೆಯ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ತಲಾಧಾರಗಳು: ನೀಲಮಣಿ, ಸಿಲಿಕಾನ್ ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್ ಕಾರ್ಬೈಡ್

ಅರೆವಾಹಕ ಉದ್ಯಮದಲ್ಲಿ, ತಲಾಧಾರಗಳು ಸಾಧನದ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿರುವ ಅಡಿಪಾಯದ ವಸ್ತುವಾಗಿದೆ. ಅವುಗಳ ಭೌತಿಕ, ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ವಿದ್ಯುತ್ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು ದಕ್ಷತೆ, ವಿಶ್ವಾಸಾರ್ಹತೆ ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಿಕ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯ ಮೇಲೆ ನೇರವಾಗಿ ಪರಿಣಾಮ ಬೀರುತ್ತವೆ. ಎಲ್ಲಾ ಆಯ್ಕೆಗಳಲ್ಲಿ, ನೀಲಮಣಿ (Al₂O₃), ಸಿಲಿಕಾನ್ (Si), ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್ ಕಾರ್ಬೈಡ್ (SiC) ಹೆಚ್ಚು ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ತಲಾಧಾರಗಳಾಗಿವೆ, ಪ್ರತಿಯೊಂದೂ ವಿಭಿನ್ನ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿ ಶ್ರೇಷ್ಠವಾಗಿದೆ. ಈ ಲೇಖನವು ಅವುಗಳ ವಸ್ತು ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು, ಅನ್ವಯಿಕ ಭೂದೃಶ್ಯಗಳು ಮತ್ತು ಭವಿಷ್ಯದ ಅಭಿವೃದ್ಧಿ ಪ್ರವೃತ್ತಿಗಳನ್ನು ಪರಿಶೋಧಿಸುತ್ತದೆ.

ನೀಲಮಣಿ: ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ವರ್ಕ್‌ಹಾರ್ಸ್

ನೀಲಮಣಿಯು ಷಡ್ಭುಜೀಯ ಜಾಲರಿಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಅಲ್ಯೂಮಿನಿಯಂ ಆಕ್ಸೈಡ್‌ನ ಏಕ-ಸ್ಫಟಿಕ ರೂಪವಾಗಿದೆ. ಇದರ ಪ್ರಮುಖ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳಲ್ಲಿ ಅಸಾಧಾರಣ ಗಡಸುತನ (ಮೊಹ್ಸ್ ಗಡಸುತನ 9), ನೇರಳಾತೀತದಿಂದ ಅತಿಗೆಂಪುವರೆಗಿನ ವಿಶಾಲ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಪಾರದರ್ಶಕತೆ ಮತ್ತು ಬಲವಾದ ರಾಸಾಯನಿಕ ಪ್ರತಿರೋಧ ಸೇರಿವೆ, ಇದು ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ಸಾಧನಗಳು ಮತ್ತು ಕಠಿಣ ಪರಿಸರಗಳಿಗೆ ಸೂಕ್ತವಾಗಿದೆ. ಶಾಖ ವಿನಿಮಯ ವಿಧಾನ ಮತ್ತು ಕೈರೊಪೌಲೋಸ್ ವಿಧಾನದಂತಹ ಸುಧಾರಿತ ಬೆಳವಣಿಗೆಯ ತಂತ್ರಗಳು, ರಾಸಾಯನಿಕ-ಯಾಂತ್ರಿಕ ಹೊಳಪು (CMP) ನೊಂದಿಗೆ ಸಂಯೋಜಿಸಲ್ಪಟ್ಟು, ಉಪ-ನ್ಯಾನೊಮೀಟರ್ ಮೇಲ್ಮೈ ಒರಟುತನದೊಂದಿಗೆ ವೇಫರ್‌ಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತವೆ.

ನೀಲಮಣಿ ತಲಾಧಾರಗಳನ್ನು LED ಗಳು ಮತ್ತು ಮೈಕ್ರೋ-LED ಗಳಲ್ಲಿ GaN ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರಗಳಾಗಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಅಲ್ಲಿ ಮಾದರಿಯ ನೀಲಮಣಿ ತಲಾಧಾರಗಳು (PSS) ಬೆಳಕಿನ ಹೊರತೆಗೆಯುವ ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತವೆ. ಅವುಗಳ ವಿದ್ಯುತ್ ನಿರೋಧನ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳಿಂದಾಗಿ ಅವುಗಳನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿನ ಆವರ್ತನ RF ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ಮತ್ತು ಗ್ರಾಹಕ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಮತ್ತು ಏರೋಸ್ಪೇಸ್ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳಲ್ಲಿ ರಕ್ಷಣಾತ್ಮಕ ಕಿಟಕಿಗಳು ಮತ್ತು ಸಂವೇದಕ ಕವರ್‌ಗಳಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಮಿತಿಗಳಲ್ಲಿ ತುಲನಾತ್ಮಕವಾಗಿ ಕಡಿಮೆ ಉಷ್ಣ ವಾಹಕತೆ (35–42 W/m·K) ಮತ್ತು GaN ನೊಂದಿಗೆ ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ಅಸಾಮರಸ್ಯ ಸೇರಿವೆ, ಇದಕ್ಕೆ ದೋಷಗಳನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡಲು ಬಫರ್ ಪದರಗಳು ಬೇಕಾಗುತ್ತವೆ.

ಸಿಲಿಕಾನ್: ಮೈಕ್ರೋಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಫೌಂಡೇಶನ್

ಸಿಲಿಕಾನ್ ತನ್ನ ಪ್ರಬುದ್ಧ ಕೈಗಾರಿಕಾ ಪರಿಸರ ವ್ಯವಸ್ಥೆ, ಡೋಪಿಂಗ್ ಮೂಲಕ ಹೊಂದಾಣಿಕೆ ಮಾಡಬಹುದಾದ ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹಕತೆ ಮತ್ತು ಮಧ್ಯಮ ಉಷ್ಣ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳಿಂದಾಗಿ (ಉಷ್ಣ ವಾಹಕತೆ ~150 W/m·K, ಕರಗುವ ಬಿಂದು 1410°C) ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್‌ನ ಬೆನ್ನೆಲುಬಾಗಿ ಉಳಿದಿದೆ. CPUಗಳು, ಮೆಮೊರಿ ಮತ್ತು ಲಾಜಿಕ್ ಸಾಧನಗಳು ಸೇರಿದಂತೆ 90% ಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಇಂಟಿಗ್ರೇಟೆಡ್ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್‌ಗಳನ್ನು ಸಿಲಿಕಾನ್ ವೇಫರ್‌ಗಳ ಮೇಲೆ ತಯಾರಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಸಿಲಿಕಾನ್ ದ್ಯುತಿವಿದ್ಯುಜ್ಜನಕ ಕೋಶಗಳಲ್ಲಿಯೂ ಪ್ರಾಬಲ್ಯ ಹೊಂದಿದೆ ಮತ್ತು IGBTಗಳು ಮತ್ತು MOSFETಗಳಂತಹ ಕಡಿಮೆ-ಮಧ್ಯಮ ವಿದ್ಯುತ್ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

ಆದಾಗ್ಯೂ, ಸಿಲಿಕಾನ್ ತನ್ನ ಕಿರಿದಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ (1.12 eV) ಮತ್ತು ಪರೋಕ್ಷ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್‌ನಿಂದಾಗಿ ಹೈ-ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಮತ್ತು ಹೈ-ಫ್ರೀಕ್ವೆನ್ಸಿ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳಲ್ಲಿ ಸವಾಲುಗಳನ್ನು ಎದುರಿಸುತ್ತದೆ, ಇದು ಬೆಳಕಿನ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆ ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಮಿತಿಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ.

ಸಿಲಿಕಾನ್ ಕಾರ್ಬೈಡ್: ಉನ್ನತ ಶಕ್ತಿಯ ನಾವೀನ್ಯಕಾರ

SiC ಎಂಬುದು ಮೂರನೇ ತಲೆಮಾರಿನ ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುವಾಗಿದ್ದು, ಅಗಲವಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ (3.2 eV), ಹೆಚ್ಚಿನ ಸ್ಥಗಿತ ವೋಲ್ಟೇಜ್ (3 MV/cm), ಹೆಚ್ಚಿನ ಉಷ್ಣ ವಾಹಕತೆ (~490 W/m·K), ಮತ್ತು ವೇಗದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಸ್ಯಾಚುರೇಶನ್ ವೇಗ (~2×10⁷ cm/s) ಹೊಂದಿದೆ. ಈ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು ಇದನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿನ-ವೋಲ್ಟೇಜ್, ಹೆಚ್ಚಿನ-ಶಕ್ತಿ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ-ಆವರ್ತನ ಸಾಧನಗಳಿಗೆ ಸೂಕ್ತವಾಗಿಸುತ್ತದೆ. SiC ತಲಾಧಾರಗಳನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಭೌತಿಕ ಆವಿ ಸಾಗಣೆ (PVT) ಮೂಲಕ 2000°C ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚಿನ ತಾಪಮಾನದಲ್ಲಿ, ಸಂಕೀರ್ಣ ಮತ್ತು ನಿಖರವಾದ ಸಂಸ್ಕರಣಾ ಅವಶ್ಯಕತೆಗಳೊಂದಿಗೆ ಬೆಳೆಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

SiC MOSFET ಗಳು ಇನ್ವರ್ಟರ್ ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು 5–10% ರಷ್ಟು ಸುಧಾರಿಸುವ ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹನಗಳು, GaN RF ಸಾಧನಗಳಿಗೆ ಅರೆ-ನಿರೋಧಕ SiC ಅನ್ನು ಬಳಸುವ 5G ಸಂವಹನ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು ಮತ್ತು 30% ವರೆಗೆ ಶಕ್ತಿಯ ನಷ್ಟವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುವ ಹೈ-ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಡೈರೆಕ್ಟ್ ಕರೆಂಟ್ (HVDC) ಪ್ರಸರಣದೊಂದಿಗೆ ಸ್ಮಾರ್ಟ್ ಗ್ರಿಡ್‌ಗಳು ಅನ್ವಯಗಳಲ್ಲಿ ಸೇರಿವೆ. ಮಿತಿಗಳು ಹೆಚ್ಚಿನ ವೆಚ್ಚಗಳು (6-ಇಂಚಿನ ವೇಫರ್‌ಗಳು ಸಿಲಿಕಾನ್‌ಗಿಂತ 20–30 ಪಟ್ಟು ಹೆಚ್ಚು ದುಬಾರಿಯಾಗಿದೆ) ಮತ್ತು ತೀವ್ರ ಗಡಸುತನದಿಂದಾಗಿ ಸಂಸ್ಕರಣಾ ಸವಾಲುಗಳು.

ಪೂರಕ ಪಾತ್ರಗಳು ಮತ್ತು ಭವಿಷ್ಯದ ದೃಷ್ಟಿಕೋನ

ನೀಲಮಣಿ, ಸಿಲಿಕಾನ್ ಮತ್ತು SiC ಅರೆವಾಹಕ ಉದ್ಯಮದಲ್ಲಿ ಪೂರಕ ತಲಾಧಾರ ಪರಿಸರ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ. ನೀಲಮಣಿ ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್‌ನಲ್ಲಿ ಪ್ರಾಬಲ್ಯ ಹೊಂದಿದೆ, ಸಿಲಿಕಾನ್ ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ಮೈಕ್ರೋಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ-ಮಧ್ಯಮ ವಿದ್ಯುತ್ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಬೆಂಬಲಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು SiC ಹೆಚ್ಚಿನ-ವೋಲ್ಟೇಜ್, ಹೆಚ್ಚಿನ-ಆವರ್ತನ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ-ದಕ್ಷತೆಯ ವಿದ್ಯುತ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಅನ್ನು ಮುನ್ನಡೆಸುತ್ತದೆ.

ಭವಿಷ್ಯದ ಬೆಳವಣಿಗೆಗಳಲ್ಲಿ ಆಳವಾದ-UV LED ಗಳು ಮತ್ತು ಮೈಕ್ರೋ-LED ಗಳಲ್ಲಿ ನೀಲಮಣಿ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳನ್ನು ವಿಸ್ತರಿಸುವುದು, Si-ಆಧಾರಿತ GaN ಹೆಟೆರೊಎಪಿಟಾಕ್ಸಿ ಹೆಚ್ಚಿನ ಆವರ್ತನ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು ಅನುವು ಮಾಡಿಕೊಡುವುದು ಮತ್ತು ಸುಧಾರಿತ ಇಳುವರಿ ಮತ್ತು ವೆಚ್ಚ ದಕ್ಷತೆಯೊಂದಿಗೆ SiC ವೇಫರ್ ಉತ್ಪಾದನೆಯನ್ನು 8 ಇಂಚುಗಳಿಗೆ ಅಳೆಯುವುದು ಸೇರಿವೆ. ಒಟ್ಟಾಗಿ, ಈ ವಸ್ತುಗಳು 5G, AI ಮತ್ತು ವಿದ್ಯುತ್ ಚಲನಶೀಲತೆಯಾದ್ಯಂತ ನಾವೀನ್ಯತೆಯನ್ನು ಚಾಲನೆ ಮಾಡುತ್ತಿವೆ, ಮುಂದಿನ ಪೀಳಿಗೆಯ ಅರೆವಾಹಕ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತಿವೆ.