Bahan semikonduktor wis berkembang liwat telung generasi transformatif:
Generasi 1 (Si/Ge) nggawe dhasar elektronik modern,
2nd Gen (GaAs/InP) nembus alangan optoelektronik lan frekuensi dhuwur kanggo nguatake revolusi informasi,
3rd Gen (SiC/GaN) saiki ngatasi energi lan tantangan lingkungan ekstrem, mbisakake netralitas karbon lan jaman 6G.
Perkembangan iki nuduhake owah-owahan paradigma saka versatility menyang spesialisasi ing ilmu material.
1. Semikonduktor Generasi Pertama: Silikon (Si) lan Germanium (Ge)
Latar Sejarah
Ing taun 1947, Bell Labs nemokaké transistor germanium, minangka tandha wiwitan jaman semikonduktor. Ing taun 1950-an, silikon mboko sithik ngganti germanium minangka dhasar sirkuit terpadu (ICs) amarga lapisan oksida sing stabil (SiO₂) lan cadangan alam sing akeh banget.
Sifat Material
ⅠBandgap:
Germanium: 0.67eV (celah pita sempit, rawan arus bocor, kinerja suhu dhuwur sing kurang).
Silikon: 1.12eV (gap pita ora langsung, cocok kanggo sirkuit logika nanging ora bisa ngetokake cahya).
Ⅱ,Keuntungan saka silikon:
Alami mbentuk oksida kualitas dhuwur (SiO₂), mbisakake fabrikasi MOSFET.
Biaya murah lan akeh bumi (~ 28% saka komposisi crustal).
Ⅲ,Watesan:
Mobilitas elektron rendah (mung 1500 cm²/(V·s)), mbatesi kinerja frekuensi dhuwur.
Tegangan lemah / toleransi suhu (suhu operasi maksimal ~ 150 ° C).
Aplikasi Kunci
Ⅰ,Sirkuit Terpadu (ICs):
CPU, chip memori (contone, DRAM, NAND) gumantung ing silikon kanggo Kapadhetan integrasi dhuwur.
Conto: Intel 4004 (1971), mikroprosesor komersial pisanan, nggunakake teknologi silikon 10μm.
Ⅱ,Piranti daya:
Tiristor awal lan MOSFET voltase rendah (umpamane, pasokan listrik PC) adhedhasar silikon.
Tantangan & Obsolescence
Germanium diilangi amarga bocor lan ora stabil termal. Nanging, watesan silikon ing optoelektronik lan aplikasi daya dhuwur nyebabake pangembangan semikonduktor generasi sabanjure.
2 Semikonduktor Generasi Kapindho: Gallium Arsenide (GaAs) lan Indium Phosphide (InP)
Latar Pangembangan
Sajrone taun 1970-1980-an, bidang sing berkembang kaya komunikasi seluler, jaringan serat optik, lan teknologi satelit nggawe panjaluk sing cepet kanggo bahan optoelektronik frekuensi dhuwur lan efisien. Iki nyebabake kemajuan semikonduktor bandgap langsung kaya GaAs lan InP.
Sifat Material
Bandgap & Kinerja Optoelektronik:
GaAs: 1.42eV (gap langsung, mbisakake emisi cahya-becik kanggo laser / LED).
InP: 1.34eV (luwih cocog kanggo aplikasi dawa gelombang dawa, contone, komunikasi serat optik 1550nm).
Mobilitas elektron:
GaAs tekan 8500 cm²/(V·s), ngluwihi silikon (1500 cm²/(V·s)), saéngga optimal kanggo pangolahan sinyal GHz.
Kakurangan
lSubstrat rapuh: Luwih angel digawe tinimbang silikon; Wafer GaAs regane 10 × luwih.
lOra ana oksida asli: Ora kaya SiO₂ silikon, GaAs/InP ora duwe oksida stabil, sing ngalangi fabrikasi IC kapadhetan dhuwur.
Aplikasi Kunci
lRF Front-Ends:
Penguat daya seluler (PA), transceiver satelit (contone, transistor HEMT basis GaAs).
lOptoelektronik:
Dioda laser (drive CD/DVD), LED (abang/infra merah), modul serat optik (laser InP).
lSel Surya Angkasa:
Sel GaAs entuk efisiensi 30% (vs ~ 20% kanggo silikon), sing penting kanggo satelit.
lBottlenecks Teknologi
Biaya dhuwur mbatesi GaAs / InP kanggo niche aplikasi high-end, nyegah supaya ora ngganti dominasi silikon ing chip logika.
Semikonduktor Generasi Katelu (Semikonduktor Wide-Bandgap): Silicon Carbide (SiC) lan Gallium Nitride (GaN)
Driver Teknologi
Revolusi Energi: Kendaraan listrik lan integrasi jaringan energi sing bisa dianyari mbutuhake piranti listrik sing luwih efisien.
Kebutuhan Frekuensi Dhuwur: Komunikasi 5G lan sistem radar mbutuhake frekuensi lan kapadhetan daya sing luwih dhuwur.
Lingkungan Ekstrem: Aplikasi aerospace lan motor industri mbutuhake bahan sing bisa tahan suhu ngluwihi 200°C.
Karakteristik materi
Kaluwihan Wide Bandgap:
lSiC: Bandgap saka 3.26eV, breakdown kekuatan medan listrik 10 × silikon, bisa nahan voltase luwih saka 10kV.
lGaN: Bandgap 3.4eV, mobilitas elektron 2200 cm²/(V·s), unggul ing kinerja frekuensi dhuwur.
Manajemen termal:
Konduktivitas termal SiC tekan 4,9 W/(cm·K), ping telu luwih apik tinimbang silikon, saéngga becik kanggo aplikasi daya dhuwur.
Tantangan Material
SiC: Tuwuh kristal tunggal sing alon mbutuhake suhu ing ndhuwur 2000 ° C, nyebabake cacat wafer lan biaya sing dhuwur (wafer SiC 6 inci 20x luwih larang tinimbang silikon).
GaN: Ora duwe substrat alami, asring mbutuhake heteroepitaksi ing substrat sapir, SiC, utawa silikon, sing nyebabake masalah ora cocog karo kisi.
Aplikasi Kunci
Elektronika Daya:
Inverter EV (contone, Tesla Model 3 nggunakake MOSFET SiC, ningkatake efisiensi kanthi 5-10%).
Stasiun / adaptor pangisi daya cepet (piranti GaN ngaktifake 100W + pangisi daya cepet nalika nyuda ukuran nganti 50%).
Piranti RF:
5G base station power amplifier (GaN-on-SiC PA ndhukung frekuensi mmWave).
Radar militer (GaN nawakake 5 × Kapadhetan daya GaAs).
Optoelektronik:
LED UV (bahan AlGaN digunakake ing sterilisasi lan deteksi kualitas banyu).
Status Industri lan Outlook Future
SiC ndominasi pasar daya dhuwur, kanthi modul kelas otomotif wis ana ing produksi massal, sanajan biaya tetep dadi penghalang.
GaN berkembang kanthi cepet ing elektronik konsumen (pengisi daya cepet) lan aplikasi RF, transisi menyang wafer 8 inci.
Bahan sing muncul kaya galium oksida (Ga₂O₃, celah pita 4.8eV) lan berlian (5.5eV) bisa dadi semikonduktor "generasi kaping papat", nyurung wates voltase ngluwihi 20kV.
Coexistence lan Sinergi Generasi Semikonduktor
Komplementaritas, Ora Pengganti:
Silicon tetep dominan ing chip logika lan elektronik konsumen (95% pasar semikonduktor global).
GaAs lan InP khusus ing relung frekuensi dhuwur lan optoelektronik.
SiC / GaN ora bisa diganti ing aplikasi energi lan industri.
Tuladha Integrasi Teknologi:
GaN-on-Si: Gabungan GaN karo substrat silikon murah kanggo ngisi daya cepet lan aplikasi RF.
Modul hibrida SiC-IGBT: Ngapikake efisiensi konversi kothak.
Tren mangsa ngarep:
Integrasi heterogen: Nggabungke bahan (contone, Si + GaN) ing chip siji kanggo ngimbangi kinerja lan biaya.
Bahan celah pita ultra-sudhut (contone, Ga₂O₃, berlian) bisa ngaktifake aplikasi komputasi kuantum lan voltase dhuwur banget (>20kV).
Produksi sing gegandhengan
GaAs laser epitaxial wafer 4 inch 6 inch
12 inch SIC substrate silikon karbida kelas utama diameter 300mm ukuran gedhe 4H-N Cocog kanggo daya dhuwur piranti dissipation panas
Wektu kirim: Mei-07-2025