Bahan semikonduktor telah berkembang melalui tiga generasi transformatif:
Gen 1 (Si/Ge) meletakkan asas elektronik moden,
Generasi Kedua (GaAs/InP) menerobos halangan optoelektronik dan frekuensi tinggi untuk menggerakkan revolusi maklumat,
Gen Ke-3 (SiC/GaN) kini menangani tenaga dan cabaran persekitaran melampau, membolehkan neutraliti karbon dan era 6G.
Perkembangan ini mendedahkan anjakan paradigma daripada serba boleh kepada pengkhususan dalam sains material.
1. Semikonduktor Generasi Pertama: Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
Latar Belakang Sejarah
Pada tahun 1947, Bell Labs mencipta transistor germanium, menandakan permulaan era semikonduktor. Menjelang 1950-an, silikon secara beransur-ansur menggantikan germanium sebagai asas litar bersepadu (IC) kerana lapisan oksidanya yang stabil (SiO₂) dan rizab semula jadi yang banyak.
Sifat Bahan
ⅠBandgap:
Germanium: 0.67eV (jurang jalur sempit, terdedah kepada arus bocor, prestasi suhu tinggi yang lemah).
Silikon: 1.12eV (jurang jalur tidak langsung, sesuai untuk litar logik tetapi tidak mampu mengeluarkan cahaya).
Ⅱ、Kelebihan silikon:
Secara semula jadi membentuk oksida berkualiti tinggi (SiO₂), membolehkan fabrikasi MOSFET.
Kos rendah dan tanah yang banyak (~28% daripada komposisi kerak).
Ⅲ、Had:
Mobiliti elektron rendah (hanya 1500 cm²/(V·s)), mengehadkan prestasi frekuensi tinggi.
Toleransi voltan/suhu yang lemah (suhu operasi maksimum ~150°C).
Aplikasi Utama
Ⅰ、Litar Bersepadu (IC):
CPU, cip memori (cth, DRAM, NAND) bergantung pada silikon untuk ketumpatan integrasi yang tinggi.
Contoh: Intel's 4004 (1971), mikropemproses komersial pertama, menggunakan teknologi silikon 10μm.
Ⅱ、Peranti Kuasa:
Thyristor awal dan MOSFET voltan rendah (cth, bekalan kuasa PC) adalah berasaskan silikon.
Cabaran & Keusangan
Germanium telah ditamatkan secara berperingkat kerana kebocoran dan ketidakstabilan haba. Walau bagaimanapun, batasan silikon dalam optoelektronik dan aplikasi berkuasa tinggi mendorong pembangunan semikonduktor gen seterusnya.
Semikonduktor Generasi Kedua 2: Gallium Arsenide (GaAs) dan Indium Phosphide (InP)
Latar Belakang Pembangunan
Pada tahun 1970-an–1980-an, bidang baru muncul seperti komunikasi mudah alih, rangkaian gentian optik dan teknologi satelit mencipta permintaan mendesak untuk bahan optoelektronik frekuensi tinggi dan cekap. Ini memacu kemajuan semikonduktor jurang jalur langsung seperti GaAs dan InP.
Sifat Bahan
Celah jalur & Prestasi Optoelektronik:
GaAs: 1.42eV (jurang jalur langsung, membolehkan pancaran cahaya—sesuai untuk laser/LED).
InP: 1.34eV (lebih sesuai untuk aplikasi panjang gelombang panjang, cth, komunikasi gentian optik 1550nm).
Mobiliti Elektron:
GaAs mencapai 8500 cm²/(V·s), jauh mengatasi silikon (1500 cm²/(V·s)), menjadikannya optimum untuk pemprosesan isyarat julat GHz.
Keburukan
lSubstrat rapuh: Lebih sukar untuk dihasilkan daripada silikon; Wafer GaAs berharga 10× lebih.
lTiada oksida asli: Tidak seperti SiO₂ silikon, GaAs/InP kekurangan oksida yang stabil, menghalang fabrikasi IC berketumpatan tinggi.
Aplikasi Utama
lBahagian Hadapan RF:
Penguat kuasa mudah alih (PA), transceiver satelit (cth, transistor HEMT berasaskan GaAs).
lOptoelektronik:
Diod laser (pemacu CD/DVD), LED (merah/inframerah), modul gentian optik (laser InP).
lSel Suria Angkasa:
Sel GaAs mencapai kecekapan 30% (berbanding ~20% untuk silikon), penting untuk satelit.
lKesesakan Teknologi
Kos yang tinggi menghadkan GaAs/InP kepada aplikasi mewah khusus, menghalangnya daripada menggantikan dominasi silikon dalam cip logik.
Semikonduktor Generasi Ketiga (Separuh Jalur Lebar): Silikon Karbida (SiC) dan Gallium Nitrida (GaN)
Pemacu Teknologi
Revolusi Tenaga: Kenderaan elektrik dan penyepaduan grid tenaga boleh diperbaharui menuntut peranti kuasa yang lebih cekap.
Keperluan Frekuensi Tinggi: Komunikasi 5G dan sistem radar memerlukan frekuensi dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi.
Persekitaran Melampau: Aplikasi aeroangkasa dan motor industri memerlukan bahan yang mampu menahan suhu melebihi 200°C.
Ciri-ciri Bahan
Kelebihan jurang jalur lebar:
lSiC: Celah jalur 3.26eV, kekuatan medan elektrik pecahan 10x daripada silikon, mampu menahan voltan melebihi 10kV.
lGaN: Celah jalur 3.4eV, mobiliti elektron 2200 cm²/(V·s), cemerlang dalam prestasi frekuensi tinggi.
Pengurusan Terma:
Kekonduksian terma SiC mencapai 4.9 W/(cm·K), tiga kali lebih baik daripada silikon, menjadikannya sesuai untuk aplikasi berkuasa tinggi.
Cabaran Material
SiC: Pertumbuhan kristal tunggal yang perlahan memerlukan suhu melebihi 2000°C, mengakibatkan kecacatan wafer dan kos yang tinggi (wafer SiC 6 inci adalah 20× lebih mahal daripada silikon).
GaN: Tidak mempunyai substrat semula jadi, selalunya memerlukan heteroepitaksi pada substrat nilam, SiC atau silikon, yang membawa kepada isu ketidakpadanan kekisi.
Aplikasi Utama
Elektronik Kuasa:
Penyongsang EV (cth, Tesla Model 3 menggunakan SiC MOSFET, meningkatkan kecekapan sebanyak 5–10%).
Stesen/penyesuai pengecasan pantas (Peranti GaN mendayakan pengecasan pantas 100W+ sambil mengurangkan saiz sebanyak 50%).
Peranti RF:
Penguat kuasa stesen pangkalan 5G (GaN-on-SiC PAs menyokong frekuensi mmWave).
Radar ketenteraan (GaN menawarkan 5× ketumpatan kuasa GaAs).
Optoelektronik:
LED UV (bahan AlGaN yang digunakan dalam pensterilan dan pengesanan kualiti air).
Status Industri dan Tinjauan Masa Depan
SiC mendominasi pasaran berkuasa tinggi, dengan modul gred automotif sudah pun dalam pengeluaran besar-besaran, walaupun kos kekal sebagai penghalang.
GaN berkembang pesat dalam elektronik pengguna (pengecasan pantas) dan aplikasi RF, beralih ke wafer 8 inci.
Bahan baru muncul seperti galium oksida (Ga₂O₃, celah jalur 4.8eV) dan berlian (5.5eV) boleh membentuk "generasi keempat" semikonduktor, menolak had voltan melebihi 20kV.
Kewujudan Bersama dan Sinergi Generasi Semikonduktor
Pelengkap, Bukan Penggantian:
Silikon kekal dominan dalam cip logik dan elektronik pengguna (95% daripada pasaran semikonduktor global).
GaAs dan InP pakar dalam niche frekuensi tinggi dan optoelektronik.
SiC/GaN tidak boleh digantikan dalam tenaga dan aplikasi perindustrian.
Contoh Integrasi Teknologi:
GaN-on-Si: Menggabungkan GaN dengan substrat silikon kos rendah untuk pengecasan pantas dan aplikasi RF.
Modul hibrid SiC-IGBT: Meningkatkan kecekapan penukaran grid.
Aliran Masa Depan:
Penyepaduan heterogen: Menggabungkan bahan (cth, Si + GaN) pada satu cip untuk mengimbangi prestasi dan kos.
Bahan celah jalur ultra lebar (cth, Ga₂O₃, berlian) boleh mendayakan aplikasi pengkomputeran kuantum voltan ultra tinggi (>20kV).
Pengeluaran berkaitan
Wafer epitaxial laser GaAs 4 inci 6 inci
12 inci substrat SIC silikon karbida gred perdana diameter 300mm saiz besar 4H-N Sesuai untuk pelesapan haba peranti berkuasa tinggi
Masa siaran: Mei-07-2025