Halfgeleidermaterialen hebben zich door drie transformatieve generaties ontwikkeld:
De 1e generatie (Si/Ge) legde de basis voor moderne elektronica,
De 2e generatie (GaAs/InP) doorbrak de barrières van opto-elektronische technologie en hoge frequenties om de informatierevolutie te stimuleren,
De 3e generatie (SiC/GaN) pakt nu de uitdagingen op het gebied van energie en extreme omgevingen aan en maakt koolstofneutraliteit en het 6G-tijdperk mogelijk.
Deze ontwikkeling laat een paradigmaverschuiving zien van veelzijdigheid naar specialisatie in materiaalkunde.
1. Halfgeleiders van de eerste generatie: silicium (Si) en germanium (Ge)
Historische achtergrond
In 1947 vond Bell Labs de germaniumtransistor uit, wat het begin markeerde van het halfgeleidertijdperk. In de jaren 50 verving silicium geleidelijk germanium als basis voor geïntegreerde schakelingen (IC's) dankzij de stabiele oxidelaag (SiO₂) en de overvloedige natuurlijke reserves.
Materiaaleigenschappen
ⅠBandgap:
Germanium: 0,67 eV (smalle bandafstand, gevoelig voor lekstroom, slechte prestaties bij hoge temperaturen).
Silicium: 1,12 eV (indirecte bandgap, geschikt voor logische schakelingen, maar niet in staat tot lichtemissie).
Ⅱ、Voordelen van silicium:
Vormt op natuurlijke wijze een hoogwaardig oxide (SiO₂), waardoor MOSFET-fabricage mogelijk is.
Goedkoop en overvloedig aanwezig op aarde (~28% van de aardkorstsamenstelling).
Ⅲ、Beperkingen:
Lage elektronenmobiliteit (slechts 1500 cm²/(V·s)), waardoor de prestaties bij hoge frequenties beperkt zijn.
Zwakke spanning/temperatuurtolerantie (max. bedrijfstemperatuur ~150°C).
Belangrijkste toepassingen
Ⅰ、Geïntegreerde schakelingen (IC's):
CPU's en geheugenchips (bijv. DRAM, NAND) vertrouwen op silicium voor een hoge integratiedichtheid.
Voorbeeld: Intel's 4004 (1971), de eerste commerciële microprocessor, maakte gebruik van 10 μm-siliciumtechnologie.
Ⅱ、Energie apparaten:
De eerste thyristors en laagspannings-MOSFET's (bijvoorbeeld voor PC-voedingen) waren op silicium gebaseerd.
Uitdagingen en veroudering
Germanium werd uitgefaseerd vanwege lekkage en thermische instabiliteit. De beperkingen van silicium in opto-elektronica en hoogvermogentoepassingen stimuleerden echter de ontwikkeling van de volgende generatie halfgeleiders.
2 Halfgeleiders van de tweede generatie: galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP)
Ontwikkelingsachtergrond
In de jaren 70 en 80 zorgden opkomende sectoren zoals mobiele communicatie, glasvezelnetwerken en satelliettechnologie voor een dringende vraag naar hoogfrequente en efficiënte opto-elektronische materialen. Dit leidde tot de ontwikkeling van halfgeleiders met directe bandgap zoals GaAs en InP.
Materiaaleigenschappen
Bandgap- en opto-elektronische prestaties:
GaAs: 1,42 eV (directe bandgap, maakt lichtemissie mogelijk, ideaal voor lasers/LED's).
InP: 1,34 eV (beter geschikt voor toepassingen met lange golflengten, bijvoorbeeld 1550 nm glasvezelcommunicatie).
Elektronenmobiliteit:
GaAs bereikt 8500 cm²/(V·s) en overtreft daarmee silicium (1500 cm²/(V·s)), waardoor het optimaal is voor signaalverwerking in het GHz-bereik.
Nadelen
ikBroze substraten: Moeilijker te produceren dan silicium; GaAs-wafers kosten 10x meer.
ikGeen natuurlijk oxide: in tegenstelling tot SiO₂ van silicium, bevatten GaAs/InP geen stabiele oxiden, wat de productie van IC's met hoge dichtheid bemoeilijkt.
Belangrijkste toepassingen
ikRF-front-ends:
Mobiele vermogensversterkers (PA's), satelliettransceivers (bijvoorbeeld GaAs-gebaseerde HEMT-transistoren).
ikOpto-elektronica:
Laserdiodes (CD/DVD-stations), LED's (rood/infrarood), glasvezelmodules (InP-lasers).
ikRuimtezonnecellen:
GaAs-cellen behalen een efficiëntie van 30% (versus ~20% voor silicium), cruciaal voor satellieten.
ikTechnologische knelpunten
Door de hoge kosten zijn GaAs/InP beperkt tot nichetoepassingen in het hogere segment. Daarmee wordt voorkomen dat ze de dominante positie van silicium in logische chips kunnen verdringen.
Halfgeleiders van de derde generatie (halfgeleiders met brede bandafstand): siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN)
Technologiedrivers
Energierevolutie: elektrische voertuigen en de integratie van hernieuwbare energienetwerken vereisen efficiëntere apparaten.
Hoge frequentiebehoeften: 5G-communicatie- en radarsystemen vereisen hogere frequenties en vermogensdichtheid.
Extreme omgevingen: Voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en industriële motoren zijn materialen nodig die temperaturen van meer dan 200°C kunnen weerstaan.
Materiaaleigenschappen
Voordelen van een grote bandgap:
ikSiC: Bandgap van 3,26 eV, doorslagveldsterkte 10× die van silicium, kan spanningen van meer dan 10 kV weerstaan.
ikGaN: Bandgap van 3,4 eV, elektronenmobiliteit van 2200 cm²/(V·s), uitstekend geschikt voor hoge frequentieprestaties.
Thermisch beheer:
De thermische geleidbaarheid van SiC bedraagt 4,9 W/(cm·K), drie keer beter dan die van silicium, waardoor het ideaal is voor toepassingen met hoog vermogen.
Materiële uitdagingen
SiC: Voor de langzame groei van monokristallen zijn temperaturen boven de 2000°C nodig, wat resulteert in waferdefecten en hoge kosten (een SiC-wafer van 6 inch is 20x duurder dan silicium).
GaN: Heeft geen natuurlijk substraat, waardoor vaak hetero-epitaxie op saffier-, SiC- of siliciumsubstraten nodig is, wat leidt tot problemen met roostermismatches.
Belangrijkste toepassingen
Vermogenselektronica:
Omvormers voor elektrische voertuigen (bijvoorbeeld het Tesla Model 3 gebruikt SiC-MOSFET's, waardoor de efficiëntie met 5–10% toeneemt).
Snellaadstations/adapters (GaN-apparaten maken snelladen van 100W+ mogelijk en verkleinen het formaat met 50%).
RF-apparaten:
5G-basisstationversterkers (GaN-on-SiC PA's ondersteunen mmWave-frequenties).
Militaire radar (GaN heeft een 5x hogere vermogensdichtheid dan GaAs).
Opto-elektronica:
UV-LED's (AlGaN-materialen die worden gebruikt bij sterilisatie en detectie van de waterkwaliteit).
Status van de industrie en toekomstige vooruitzichten
SiC domineert de markt voor hoogvermogens; modules voor auto's worden al massaal geproduceerd. De kosten vormen echter nog steeds een belemmering.
GaN breidt zich snel uit naar consumentenelektronica (snel opladen) en RF-toepassingen, waarbij de overstap wordt gemaakt naar 8-inch wafers.
Nieuwe materialen zoals galliumoxide (Ga₂O₃, bandgap 4,8 eV) en diamant (5,5 eV) kunnen een ‘vierde generatie’ halfgeleiders vormen, waardoor de spanningslimieten boven de 20 kV komen.
Coëxistentie en synergie van halfgeleidergeneraties
Complementariteit, geen vervanging:
Silicium blijft dominant in logische chips en consumentenelektronica (95% van de wereldwijde halfgeleidermarkt).
GaAs en InP zijn gespecialiseerd in hoogfrequente en opto-elektronische niches.
SiC/GaN zijn onvervangbaar in energie- en industriële toepassingen.
Voorbeelden van technologie-integratie:
GaN-on-Si: combineert GaN met goedkope siliciumsubstraten voor snel opladen en RF-toepassingen.
SiC-IGBT hybride modules: Verbeter de efficiëntie van de rasterconversie.
Toekomstige trends:
Heterogene integratie: het combineren van materialen (bijvoorbeeld Si + GaN) op één chip om prestaties en kosten in evenwicht te brengen.
Materialen met een ultrabrede bandkloof (bijvoorbeeld Ga₂O₃, diamant) maken toepassingen bij extreem hoge spanningen (>20 kV) en quantumcomputers mogelijk.
Gerelateerde productie
GaAs laser epitaxiale wafer 4 inch 6 inch
12 inch SIC-substraat siliciumcarbide prime grade diameter 300 mm grote maat 4H-N Geschikt voor warmteafvoer van apparaten met hoog vermogen
Geplaatst op: 7 mei 2025