Halvledarmaterial har utvecklats genom tre transformativa generationer:
Första generationen (Si/Ge) lade grunden för modern elektronik,
Andra generationens (GaAs/InP) bröt igenom optoelektroniska och högfrekventa barriärer för att driva informationsrevolutionen,
3:e generationens (SiC/GaN) tar nu itu med energi- och extrema miljöutmaningar, vilket möjliggör koldioxidneutralitet och 6G-eran.
Denna utveckling visar ett paradigmskifte från mångsidighet till specialisering inom materialvetenskap.
1. Första generationens halvledare: Kisel (Si) och germanium (Ge)
Historisk bakgrund
År 1947 uppfann Bell Labs germaniumtransistorn, vilket markerade början på halvledareran. Vid 1950-talet ersatte kisel gradvis germanium som grunden för integrerade kretsar (IC) tack vare dess stabila oxidskikt (SiO₂) och rikliga naturreserver.
Materialegenskaper
ⅠBandgap:
Germanium: 0,67 eV (smalt bandgap, benäget för läckström, dålig prestanda vid höga temperaturer).
Kisel: 1,12 eV (indirekt bandgap, lämplig för logikkretsar men oförmögen att ljusemittera).
II,Fördelar med kisel:
Bildar naturligt en högkvalitativ oxid (SiO₂), vilket möjliggör tillverkning av MOSFET.
Låg kostnad och riklig förekomst på jorden (~28 % av jordskorpans sammansättning).
Ⅲ,Begränsningar:
Låg elektronmobilitet (endast 1500 cm²/(V·s)), vilket begränsar högfrekvent prestanda.
Svag spännings-/temperaturtolerans (max driftstemperatur ~150 °C).
Viktiga tillämpningar
Ⅰ,Integrerade kretsar (IC):
CPU:er, minneskretsar (t.ex. DRAM, NAND) förlitar sig på kisel för hög integrationstäthet.
Exempel: Intels 4004 (1971), den första kommersiella mikroprocessorn, använde 10 μm kiselteknik.
II,Strömförsörjningsenheter:
Tidiga tyristorer och lågspännings-MOSFET:er (t.ex. PC-nätaggregat) var kiselbaserade.
Utmaningar och föråldring
Germanium fasades ut på grund av läckage och termisk instabilitet. Kisels begränsningar inom optoelektronik och högeffektstillämpningar sporrade dock utvecklingen av nästa generations halvledare.
2 Andra generationens halvledare: Galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP)
Utvecklingsbakgrund
Under 1970- och 1980-talen skapade framväxande områden som mobilkommunikation, optiska fibernät och satellitteknik en pressande efterfrågan på högfrekventa och effektiva optoelektroniska material. Detta drev utvecklingen av halvledare med direkt bandgap som GaAs och InP.
Materialegenskaper
Bandgap och optoelektronisk prestanda:
GaAs: 1,42 eV (direkt bandgap, möjliggör ljusemission – perfekt för lasrar/LED-lampor).
InP: 1,34 eV (bättre lämpad för långvågiga tillämpningar, t.ex. 1550 nm fiberoptisk kommunikation).
Elektronmobilitet:
GaAs uppnår 8500 cm²/(V·s), vilket vida överträffar kisel (1500 cm²/(V·s)), vilket gör det optimalt för signalbehandling i GHz-området.
Nackdelar
jagSköra substrat: Svårare att tillverka än kisel; GaAs-wafers kostar 10 gånger mer.
jagIngen nativ oxid: Till skillnad från kisels SiO₂ saknar GaAs/InP stabila oxider, vilket hindrar tillverkning av högdensitets-IC.
Viktiga tillämpningar
jagRF-gränssnitt:
Mobila effektförstärkare (PA), satellitsändtagare (t.ex. GaAs-baserade HEMT-transistorer).
jagOptoelektronik:
Laserdioder (CD/DVD-enheter), lysdioder (röda/infraröda), fiberoptiska moduler (InP-lasrar).
jagRymdsolceller:
GaAs-celler uppnår 30 % effektivitet (jämfört med ~20 % för kisel), vilket är avgörande för satelliter.
jagTeknologiska flaskhalsar
Höga kostnader begränsar GaAs/InP till nischade avancerade applikationer, vilket hindrar dem från att ersätta kisels dominans inom logikchips.
Tredje generationens halvledare (halvledare med brett bandgap): Kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN)
Teknikdrivare
Energirevolutionen: Elfordon och integration av förnybara energinät kräver effektivare kraftenheter.
Högfrekventa behov: 5G-kommunikations- och radarsystem kräver högre frekvenser och effekttäthet.
Extrema miljöer: Tillämpningar inom flyg- och rymdfart och industriella motorer kräver material som kan motstå temperaturer över 200 °C.
Materialegenskaper
Fördelar med brett bandgap:
jagSiC: Bandgap på 3,26 eV, genombrottsfältstyrka 10 gånger kisels, tål spänningar över 10 kV.
jagGaN: Bandgap på 3,4 eV, elektronmobilitet på 2200 cm²/(V·s), utmärker sig vid högfrekventa prestanda.
Termisk hantering:
SiC:s värmeledningsförmåga når 4,9 W/(cm·K), tre gånger bättre än kisel, vilket gör den idealisk för högeffektsapplikationer.
Materiella utmaningar
SiC: Långsam enkristalltillväxt kräver temperaturer över 2000 °C, vilket resulterar i waferdefekter och höga kostnader (en 6-tums SiC-wafer är 20 gånger dyrare än kisel).
GaN: Saknar ett naturligt substrat, vilket ofta kräver heteroepitaxi på safir-, SiC- eller kiselsubstrat, vilket leder till problem med gittermatchning.
Viktiga tillämpningar
Kraftelektronik:
Växelriktare för elbilar (t.ex. Tesla Model 3 använder SiC MOSFET-transistorer, vilket förbättrar effektiviteten med 5–10 %).
Snabbladdningsstationer/adaptrar (GaN-enheter möjliggör snabbladdning på 100 W+ samtidigt som de minskar storleken med 50 %).
RF-enheter:
5G-basstationsförstärkare (GaN-på-SiC PA:er stöder mmWave-frekvenser).
Militärradar (GaN erbjuder 5 gånger högre effekttäthet än GaAs).
Optoelektronik:
UV-lysdioder (AlGaN-material som används vid sterilisering och vattenkvalitetsdetektering).
Branschstatus och framtidsutsikter
SiC dominerar marknaden för högeffektselektronik, med moduler av fordonskvalitet som redan är i massproduktion, även om kostnaderna fortfarande är ett hinder.
GaN expanderar snabbt inom konsumentelektronik (snabbladdning) och RF-applikationer, och övergår till 8-tums wafers.
Framväxande material som galliumoxid (Ga₂O₃, bandgap 4,8 eV) och diamant (5,5 eV) kan bilda en "fjärde generation" av halvledare, vilket driver spänningsgränserna bortom 20 kV.
Samexistens och synergi mellan halvledargenerationer
Komplementaritet, inte ersättning:
Kisel är fortfarande dominerande inom logikchips och konsumentelektronik (95 % av den globala halvledarmarknaden).
GaAs och InP specialiserar sig på nischer inom högfrekventa och optoelektroniska områden.
SiC/GaN är oersättliga inom energi- och industritillämpningar.
Exempel på teknikintegration:
GaN-på-Si: Kombinerar GaN med billiga kiselsubstrat för snabbladdning och RF-applikationer.
SiC-IGBT-hybridmoduler: Förbättra effektiviteten i nätkonverteringen.
Framtida trender:
Heterogen integration: Kombination av material (t.ex. Si + GaN) på ett enda chip för att balansera prestanda och kostnad.
Material med ultrabrett bandgap (t.ex. Ga₂O₃, diamant) kan möjliggöra tillämpningar med ultrahög spänning (>20 kV) och kvantberäkning.
Relaterad produktion
GaAs-laser epitaxial wafer 4 tum 6 tum
12-tums SIC-substrat av kiselkarbid av högsta kvalitet, diameter 300 mm, stor storlek 4H-N Lämplig för värmeavledning av högeffektsenheter
Publiceringstid: 7 maj 2025