Halvledermaterialer har udviklet sig gennem tre transformative generationer:
1. generation (Si/Ge) lagde grunden til moderne elektronik,
2. generation (GaAs/InP) brød igennem optoelektroniske og højfrekvente barrierer for at drive informationsrevolutionen,
3. generation (SiC/GaN) tackler nu energi- og ekstreme miljøudfordringer og muliggør CO2-neutralitet og 6G-æraen.
Denne udvikling afslører et paradigmeskift fra alsidighed til specialisering inden for materialevidenskab.
1. Første generations halvledere: Silicium (Si) og germanium (Ge)
Historisk baggrund
I 1947 opfandt Bell Labs germaniumtransistoren, hvilket markerede starten på halvlederæraen. I 1950'erne erstattede silicium gradvist germanium som fundamentet for integrerede kredsløb (IC'er) på grund af dets stabile oxidlag (SiO₂) og rigelige naturreserver.
Materialeegenskaber
ⅠBåndgab:
Germanium: 0,67 eV (smalt båndgab, tilbøjelig til lækstrøm, dårlig ydeevne ved høje temperaturer).
Silicium: 1,12 eV (indirekte båndgab, egnet til logiske kredsløb, men ude af stand til at udsende lys).
II.Fordele ved silicium:
Danner naturligt et oxid af høj kvalitet (SiO₂), der muliggør fremstilling af MOSFET.
Lav pris og rigelig forekomst på jorden (~28% af jordskorpens sammensætning).
Ⅲ,Begrænsninger:
Lav elektronmobilitet (kun 1500 cm²/(V·s)), hvilket begrænser højfrekvent ydeevne.
Svag spændings-/temperaturtolerance (maks. driftstemperatur ~150°C).
Nøgleapplikationer
Ⅰ,Integrerede kredsløb (IC'er):
CPU'er, hukommelseschips (f.eks. DRAM, NAND) er afhængige af silicium for at opnå høj integrationstæthed.
Eksempel: Intels 4004 (1971), den første kommercielle mikroprocessor, brugte 10 μm siliciumteknologi.
II.Strømforsyninger:
Tidlige tyristorer og lavspændings-MOSFET'er (f.eks. PC-strømforsyninger) var siliciumbaserede.
Udfordringer og forældelse
Germanium blev udfaset på grund af lækage og termisk ustabilitet. Siliciums begrænsninger inden for optoelektronik og højeffektapplikationer ansporede dog udviklingen af næste generations halvledere.
2. Anden generations halvledere: Galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP)
Udviklingsbaggrund
I 1970'erne og 1980'erne skabte nye områder som mobilkommunikation, optiske fibernetværk og satellitteknologi en presserende efterspørgsel efter højfrekvente og effektive optoelektroniske materialer. Dette drev udviklingen af halvledere med direkte båndgab som GaAs og InP.
Materialeegenskaber
Båndgab og optoelektronisk ydeevne:
GaAs: 1,42 eV (direkte båndgab, muliggør lysudsendelse – ideel til lasere/LED'er).
InP: 1,34 eV (bedre egnet til langbølgede applikationer, f.eks. 1550 nm fiberoptisk kommunikation).
Elektronmobilitet:
GaAs opnår 8500 cm²/(V·s), hvilket langt overgår silicium (1500 cm²/(V·s)), hvilket gør det optimalt til signalbehandling i GHz-området.
Ulemper
lSprøde substrater: Sværere at fremstille end silicium; GaAs-wafere koster 10 gange mere.
lIngen naturligt oxid: I modsætning til siliciums SiO₂ mangler GaAs/InP stabile oxider, hvilket hindrer fremstilling af IC'er med høj densitet.
Nøgleapplikationer
lRF-frontender:
Mobile effektforstærkere (PA'er), satellittransceivere (f.eks. GaAs-baserede HEMT-transistorer).
lOptoelektronik:
Laserdioder (cd/dvd-drev), lysdioder (rød/infrarød), fiberoptiske moduler (InP-lasere).
lRumsolceller:
GaAs-celler opnår en effektivitet på 30 % (vs. ~20 % for silicium), hvilket er afgørende for satellitter.
lTeknologiske flaskehalse
Høje omkostninger begrænser GaAs/InP til nicheapplikationer inden for avanceret teknologi og forhindrer dem i at fortrænge siliciums dominans inden for logikchips.
Tredjegenerations halvledere (halvledere med bredt båndgab): Siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN)
Teknologiske drivkræfter
Energirevolution: Elbiler og integration af vedvarende energinet kræver mere effektive strømforsyninger.
Højfrekvensbehov: 5G-kommunikations- og radarsystemer kræver højere frekvenser og effekttæthed.
Ekstreme miljøer: Luftfart og industrielle motorapplikationer kræver materialer, der kan modstå temperaturer over 200 °C.
Materialeegenskaber
Fordele ved bredt båndgab:
lSiC: Båndgab på 3,26 eV, gennembrudsfeltstyrke 10 gange siliciums, i stand til at modstå spændinger over 10 kV.
lGaN: Båndgab på 3,4 eV, elektronmobilitet på 2200 cm²/(V·s), udmærker sig ved højfrekvent ydeevne.
Termisk styring:
SiCs varmeledningsevne når 4,9 W/(cm·K), tre gange bedre end silicium, hvilket gør den ideel til højeffektapplikationer.
Materielle udfordringer
SiC: Langsom enkeltkrystalvækst kræver temperaturer over 2000 °C, hvilket resulterer i waferdefekter og høje omkostninger (en 6-tommer SiC-wafer er 20 gange dyrere end silicium).
GaN: Mangler et naturligt substrat, hvilket ofte kræver heteroepitaxi på safir-, SiC- eller siliciumsubstrater, hvilket fører til problemer med gittermismatch.
Nøgleapplikationer
Effektelektronik:
Invertere til elbiler (f.eks. bruger Tesla Model 3 SiC MOSFET'er, hvilket forbedrer effektiviteten med 5-10%).
Hurtigopladningsstationer/adaptere (GaN-enheder muliggør hurtigopladning på 100 W+, samtidig med at størrelsen reduceres med 50 %).
RF-enheder:
5G-basestationseffektforstærkere (GaN-på-SiC PA'er understøtter mmWave-frekvenser).
Militærradar (GaN tilbyder 5 gange så stor effekttæthed som GaAs).
Optoelektronik:
UV-LED'er (AlGaN-materialer, der anvendes til sterilisering og vandkvalitetsmåling).
Branchestatus og fremtidsudsigter
SiC dominerer markedet for højeffektsmoduler, hvor moduler til bilindustrien allerede er i masseproduktion, selvom omkostningerne fortsat er en barriere.
GaN ekspanderer hurtigt inden for forbrugerelektronik (hurtigopladning) og RF-applikationer og overgår til 8-tommer wafere.
Nye materialer som galliumoxid (Ga₂O₃, båndgab 4,8 eV) og diamant (5,5 eV) kan danne en "fjerde generation" af halvledere, der flytter spændingsgrænserne ud over 20 kV.
Sameksistens og synergi mellem halvledergenerationer
Komplementaritet, ikke erstatning:
Silicium er fortsat dominerende inden for logikchips og forbrugerelektronik (95 % af det globale halvledermarked).
GaAs og InP specialiserer sig i nicher inden for højfrekvente og optoelektroniske signaler.
SiC/GaN er uerstattelige inden for energi- og industrielle applikationer.
Eksempler på teknologiintegration:
GaN-on-Si: Kombinerer GaN med billige siliciumsubstrater til hurtig opladning og RF-applikationer.
SiC-IGBT hybridmoduler: Forbedrer netkonverteringseffektiviteten.
Fremtidige tendenser:
Heterogen integration: Kombination af materialer (f.eks. Si + GaN) på en enkelt chip for at afbalancere ydeevne og omkostninger.
Materialer med ultrabredt båndgab (f.eks. Ga₂O₃, diamant) kan muliggøre ultrahøjspændings- (>20 kV) og kvanteberegningsapplikationer.
Relateret produktion
GaAs laser epitaksial wafer 4 tommer 6 tommer
12 tommer SIC-substrat siliciumcarbid i førsteklasses kvalitet, diameter 300 mm, stor størrelse 4H-N, egnet til varmeafledning af enheder med høj effekt
Udsendelsestidspunkt: 7. maj 2025