Vad är första generationens, andra generationens, tredje generationens och fjärde generationens halvledarmaterial?

Halvledarmaterial är de material med elektrisk ledningsförmåga mellan ledare och isolatorer vid rumstemperatur, som används i stor utsträckning inom områden som integrerade kretsar, kommunikation, energi och optoelektronik. Med utvecklingen av teknologin har halvledarmaterial utvecklats från den första generationen till den fjärde generationen.

I mitten av 1900-talet bestod den första generationen av halvledarmaterial huvudsakligen av germanium (Ge) ochkisel(Si). Noterbart var att den första transistorn och den första integrerade kretsen i världen båda var gjorda av germanium. Men det ersattes gradvis av kisel i slutet av 1960-talet, på grund av dess nackdelar som låg värmeledningsförmåga, låg smältpunkt, dålig högtemperaturbeständighet, instabil vattenlöslig oxidstruktur och veckas mekaniska hållfasthet. Tack vare dess överlägsna högtemperaturbeständighet, utmärkta strålningsbeständighet, anmärkningsvärda kostnadseffektivitet och rikliga reserver, ersatte kisel gradvis germanium som det vanliga materialet och bibehöll denna position hittills.

På 1990-talet började den andra generationen av halvledarmaterial att växa fram, med galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP) som representativa material. De andra halvledarmaterialen erbjuder fördelar såsom ett stort bandgap, låg bärarkoncentration, överlägsna optoelektroniska egenskaper, såväl som utmärkt termiskt motstånd och strålningsmotstånd. Dessa fördelar gör att de används i stor utsträckning inom mikrovågskommunikation, satellitkommunikation, optisk kommunikation, optoelektroniska enheter och satellitnavigering. Tillämpningarna av sammansatta halvledarmaterial är dock begränsade av problem som sällsynta reserver, höga materialkostnader, inneboende toxicitet, defekter på djupa nivåer och svårigheter att tillverka wafers av stor storlek.

Under 2000-talet, tredje generationens halvledarmaterial somkiselkarbid(SiC), galliumnitrid (GaN) och zinkoxid (ZnO) kom till. Kända som halvledarmaterial med breda bandgap, tredje generationens halvledarmaterial uppvisar utmärkta egenskaper såsom hög genombrottsspänning, hög elektronmättnadshastighet, exceptionell värmeledningsförmåga och utmärkt strålningsmotstånd. Dessa material är lämpliga för tillverkning av halvledarenheter som fungerar i applikationer med hög temperatur, hög spänning, hög frekvens, hög strålning och hög effekt.

Numera representeras den fjärde generationens halvledarmaterial avgalliumoxid(Ga2O3), diamant (C) och aluminiumnitrid (AlN). Dessa material kallas halvledarmaterial med ultrabredt bandgap och har en högre nedbrytningsfältstyrka än tredje generationens halvledare. De kan motstå högre spänningar och effektnivåer, lämpliga för tillverkning av högeffekts elektroniska enheter och högpresterande radiofrekvens elektroniska enheter. Tillverknings- och leveranskedjan för dessa fjärde generationens halvledarmaterial är dock inte mogna, vilket innebär betydande utmaningar i produktion och beredning.