Halvledermaterialer har utviklet seg gjennom tre transformative generasjoner:
1. generasjon (Si/Ge) la grunnlaget for moderne elektronikk,
2. generasjon (GaAs/InP) brøt gjennom optoelektroniske og høyfrekvente barrierer for å drive informasjonsrevolusjonen,
3. generasjon (SiC/GaN) takler nå energi- og ekstreme miljøutfordringer, og muliggjør karbonnøytralitet og 6G-æraen.
Denne utviklingen avslører et paradigmeskifte fra allsidighet til spesialisering innen materialvitenskap.
1. Første generasjons halvledere: Silisium (Si) og germanium (Ge)
Historisk bakgrunn
I 1947 oppfant Bell Labs germaniumtransistoren, som markerte starten på halvlederæraen. På 1950-tallet erstattet silisium gradvis germanium som grunnlaget for integrerte kretser (IC-er) på grunn av det stabile oksidlaget (SiO₂) og rikelige naturreserver.
Materialegenskaper
ⅠBåndgap:
Germanium: 0,67 eV (smalt båndgap, utsatt for lekkasjestrøm, dårlig ytelse ved høye temperaturer).
Silisium: 1,12 eV (indirekte båndgap, egnet for logiske kretser, men ikke i stand til å sende ut lys).
II.Fordeler med silisium:
Danner naturlig et høykvalitetsoksid (SiO₂), som muliggjør MOSFET-produksjon.
Lav kostnad og rikelig med jorda (~28 % av jordskorpens sammensetning).
Ⅲ,Begrensninger:
Lav elektronmobilitet (bare 1500 cm²/(V·s)), noe som begrenser høyfrekvent ytelse.
Lav spennings-/temperaturtoleranse (maks. driftstemperatur ~150 °C).
Viktige applikasjoner
Ⅰ,Integrerte kretser (IC-er):
CPUer og minnebrikker (f.eks. DRAM, NAND) er avhengige av silisium for høy integrasjonstetthet.
Eksempel: Intels 4004 (1971), den første kommersielle mikroprosessoren, brukte 10 μm silisiumteknologi.
II.Strømforsyninger:
Tidlige tyristorer og lavspennings-MOSFET-er (f.eks. PC-strømforsyninger) var silisiumbaserte.
Utfordringer og foreldelse
Germanium ble faset ut på grunn av lekkasje og termisk ustabilitet. Silisiums begrensninger innen optoelektronikk og høyeffektsapplikasjoner ansporet imidlertid utviklingen av neste generasjons halvledere.
2 Andre generasjons halvledere: Galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid (InP)
Utviklingsbakgrunn
I løpet av 1970- og 1980-årene skapte nye felt som mobilkommunikasjon, optiske fibernettverk og satellittteknologi en presserende etterspørsel etter høyfrekvente og effektive optoelektroniske materialer. Dette drev frem utviklingen av halvledere med direkte båndgap som GaAs og InP.
Materialegenskaper
Båndgap og optoelektronisk ytelse:
GaAs: 1,42 eV (direkte båndgap, muliggjør lysutslipp – ideelt for lasere/LED-er).
InP: 1,34 eV (bedre egnet for langbølgede applikasjoner, f.eks. 1550 nm fiberoptisk kommunikasjon).
Elektronmobilitet:
GaAs oppnår 8500 cm²/(V·s), noe som langt overgår silisium (1500 cm²/(V·s)), noe som gjør det optimalt for signalbehandling i GHz-området.
Ulemper
lSprø substrater: Vanskeligere å produsere enn silisium; GaAs-wafere koster 10 ganger mer.
lIngen naturlig oksid: I motsetning til silisiums SiO₂ mangler GaAs/InP stabile oksider, noe som hindrer fabrikasjon av IC-er med høy tetthet.
Viktige applikasjoner
lRF-frontender:
Mobile effektforsterkere (PA-er), satellitt-transceivere (f.eks. GaAs-baserte HEMT-transistorer).
lOptoelektronikk:
Laserdioder (CD/DVD-stasjoner), LED-er (røde/infrarøde), fiberoptiske moduler (InP-lasere).
lRomsolceller:
GaAs-celler oppnår 30 % effektivitet (mot ~20 % for silisium), noe som er avgjørende for satellitter.
lTeknologiske flaskehalser
Høye kostnader begrenser GaAs/InP til nisjeapplikasjoner innen avanserte applikasjoner, og hindrer dem i å fortrenge silisiums dominans innen logikkbrikker.
Tredje generasjons halvledere (halvledere med bredt båndgap): Silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN)
Teknologidrivere
Energirevolusjonen: Elbiler og integrering av fornybart energinett krever mer effektive kraftenheter.
Høyfrekvensbehov: 5G-kommunikasjons- og radarsystemer krever høyere frekvenser og effekttetthet.
Ekstreme miljøer: Luftfart og industrielle motorapplikasjoner trenger materialer som tåler temperaturer over 200 °C.
Materialegenskaper
Fordeler med bredt båndgap:
lSiC: Båndgap på 3,26 eV, elektrisk feltstyrke ved gjennombrudd 10 ganger silisium, i stand til å motstå spenninger over 10 kV.
lGaN: Båndgap på 3,4 eV, elektronmobilitet på 2200 cm²/(V·s), utmerker seg ved høyfrekvente ytelser.
Termisk styring:
SiCs varmeledningsevne når 4,9 W/(cm·K), tre ganger bedre enn silisium, noe som gjør den ideell for høyeffektsapplikasjoner.
Materielle utfordringer
SiC: Langsom enkeltkrystallvekst krever temperaturer over 2000 °C, noe som resulterer i waferdefekter og høye kostnader (en 6-tommers SiC-wafer er 20 ganger dyrere enn silisium).
GaN: Mangler et naturlig substrat, og krever ofte heteroepitaksi på safir-, SiC- eller silisiumsubstrater, noe som fører til problemer med gittermismatch.
Viktige applikasjoner
Kraftelektronikk:
EV-omformere (f.eks. Tesla Model 3 bruker SiC MOSFET-er, noe som forbedrer effektiviteten med 5–10 %).
Hurtigladestasjoner/adaptere (GaN-enheter muliggjør hurtiglading på 100 W+ samtidig som de reduserer størrelsen med 50 %).
RF-enheter:
5G-basestasjonseffektforsterkere (GaN-på-SiC PA-er støtter mmWave-frekvenser).
Militærradar (GaN tilbyr 5 ganger effekttettheten til GaAs).
Optoelektronikk:
UV-LED-er (AlGaN-materialer brukt i sterilisering og vannkvalitetsdeteksjon).
Bransjestatus og fremtidsutsikter
SiC dominerer markedet for høyeffektsbatterier, med moduler i bilindustrien som allerede er i masseproduksjon, selv om kostnadene fortsatt er en barriere.
GaN ekspanderer raskt innen forbrukerelektronikk (hurtiglading) og RF-applikasjoner, og går over til 8-tommers wafere.
Nye materialer som galliumoksid (Ga₂O₃, båndgap 4,8 eV) og diamant (5,5 eV) kan danne en «fjerde generasjon» av halvledere, og presse spenningsgrensene utover 20 kV.
Sameksistens og synergi mellom halvledergenerasjoner
Komplementaritet, ikke erstatning:
Silisium er fortsatt dominerende innen logikkbrikker og forbrukerelektronikk (95 % av det globale halvledermarkedet).
GaAs og InP spesialiserer seg i nisjer innen høyfrekvente og optoelektroniske kanaler.
SiC/GaN er uerstattelige innen energi- og industriapplikasjoner.
Eksempler på teknologiintegrasjon:
GaN-på-Si: Kombinerer GaN med rimelige silisiumsubstrater for hurtiglading og RF-applikasjoner.
SiC-IGBT hybridmoduler: Forbedre effektiviteten i nettkonvertering.
Fremtidige trender:
Heterogen integrasjon: Kombinering av materialer (f.eks. Si + GaN) på en enkelt brikke for å balansere ytelse og kostnad.
Materialer med ultrabredt båndgap (f.eks. Ga₂O₃, diamant) kan muliggjøre ultrahøyspennings- (>20 kV) og kvanteberegningsapplikasjoner.
Relatert produksjon
GaAs laser epitaksial wafer 4 tommer 6 tommer
12-tommers SIC-substrat silisiumkarbid i førsteklasse, diameter 300 mm, stor størrelse 4H-N, egnet for varmespredning av høyeffektsenheter
Publiseringstid: 07. mai 2025