Ang mga materyales ng semiconductor ay umunlad sa pamamagitan ng tatlong pagbabagong henerasyon:
Inilatag ng 1st Gen (Si/Ge) ang pundasyon ng modernong electronics,
Nalampasan ng 2nd Gen (GaAs/InP) ang optoelectronic at high-frequency na mga hadlang upang palakasin ang rebolusyon ng impormasyon,
Tinatalakay na ngayon ng 3rd Gen (SiC/GaN) ang mga hamon sa enerhiya at extreme-environment, na nagpapagana ng carbon neutrality at 6G era.
Ang pag-unlad na ito ay nagpapakita ng isang paradigm shift mula sa versatility tungo sa pagdadalubhasa sa materyal na agham.
1. First-Generation Semiconductor: Silicon (Si) at Germanium (Ge)
Background ng Kasaysayan
Noong 1947, naimbento ng Bell Labs ang germanium transistor, na minarkahan ang bukang-liwayway ng panahon ng semiconductor. Pagsapit ng 1950s, unti-unting pinalitan ng silicon ang germanium bilang pundasyon ng integrated circuits (ICs) dahil sa stable oxide layer (SiO₂) at masaganang natural reserves nito.
Mga Katangian ng Materyal
ⅠBandgap:
Germanium: 0.67eV (makitid na bandgap, madaling tumagas, mahinang pagganap sa mataas na temperatura).
Silicon: 1.12eV (indirect bandgap, angkop para sa mga logic circuit ngunit walang kakayahang maglabas ng liwanag).
Ⅱ,Mga Bentahe ng Silicon:
Natural na bumubuo ng de-kalidad na oxide (SiO₂), na nagpapagana sa paggawa ng MOSFET.
Mababang gastos at sagana sa lupa (~28% ng komposisyon ng crustal).
Ⅲ,Mga Limitasyon:
Mababang electron mobility (1500 cm²/(V·s) lang), nililimitahan ang high-frequency na performance.
Mahinang boltahe/pagpapahintulot sa temperatura (max na operating temp. ~150°C).
Mga Pangunahing Aplikasyon
Ⅰ,Mga Integrated Circuit (ICs):
Ang mga CPU, memory chips (hal., DRAM, NAND) ay umaasa sa silicon para sa mataas na integration density.
Halimbawa: Ang Intel's 4004 (1971), ang unang komersyal na microprocessor, ay gumamit ng 10μm silicon na teknolohiya.
Ⅱ,Mga Power Device:
Ang mga maagang thyristor at mababang boltahe na MOSFET (hal., PC power supply) ay batay sa silikon.
Mga Hamon at Kalumaan
Inalis ang Germanium dahil sa leakage at thermal instability. Gayunpaman, ang mga limitasyon ng silicon sa optoelectronics at high-power na mga aplikasyon ay nag-udyok sa pagbuo ng mga susunod na gen semiconductors.
2Second-Generation Semiconductors: Gallium Arsenide (GaAs) at Indium Phosphide (InP)
Background ng Pag-unlad
Sa panahon ng 1970s–1980s, ang mga umuusbong na larangan tulad ng mga mobile na komunikasyon, optical fiber network, at satellite technology ay lumikha ng matinding pangangailangan para sa mataas na dalas at mahusay na optoelectronic na materyales. Nagdulot ito ng pagsulong ng direktang bandgap semiconductors tulad ng GaAs at InP.
Mga Katangian ng Materyal
Bandgap at Optoelectronic na Pagganap:
GaAs: 1.42eV (direktang bandgap, nagbibigay-daan sa paglabas ng liwanag—perpekto para sa mga laser/LED).
InP: 1.34eV (mas angkop para sa mga long-wavelength na application, hal, 1550nm fiber-optic na komunikasyon).
Electron Mobility:
Nakakamit ng GaAs ang 8500 cm²/(V·s), higit na higit sa silicon (1500 cm²/(V·s)), na ginagawa itong pinakamainam para sa GHz-range na pagpoproseso ng signal.
Mga disadvantages
lMga malutong na substrate: Mas mahirap gawin kaysa sa silikon; Ang mga wafer ng GaA ay nagkakahalaga ng 10x na higit pa.
lWalang katutubong oxide: Hindi tulad ng SiO₂ ng silicon, ang GaAs/InP ay walang mga stable na oxide, na humahadlang sa high-density na IC fabrication.
Mga Pangunahing Aplikasyon
lRF Front-Ends:
Mga mobile power amplifier (PA), satellite transceiver (hal, GaAs-based HEMT transistors).
lOptoelectronics:
Laser diodes (CD/DVD drives), LEDs (red/infrared), fiber-optic modules (InP lasers).
lSpace Solar Cells:
Nakakamit ng mga cell ng GaAs ang 30% na kahusayan (kumpara sa ~20% para sa silicon), mahalaga para sa mga satellite.
lMga Teknolohikal na Bottleneck
Ang mataas na gastos ay nagkulong sa GaAs/InP sa mga angkop na aplikasyon na may mataas na dulo, na pumipigil sa mga ito na maalis ang dominante ng silicon sa mga logic chip.
Third-Generation Semiconductors (Wide-Bandgap Semiconductors): Silicon Carbide (SiC) at Gallium Nitride (GaN)
Mga Driver ng Teknolohiya
Energy Revolution: Ang mga de-koryenteng sasakyan at renewable energy grid integration ay nangangailangan ng mas mahusay na mga power device.
Mga Pangangailangan sa High-Frequency: Ang mga komunikasyon sa 5G at radar system ay nangangailangan ng mas mataas na frequency at power density.
Mga Extreme Environment: Ang mga application ng aerospace at pang-industriya na motor ay nangangailangan ng mga materyales na may kakayahang makayanan ang mga temperatura na higit sa 200°C.
Mga Katangiang Materyal
Mga Bentahe ng Malawak na Bandgap:
lSiC: Bandgap ng 3.26eV, breakdown electric field strength 10x na ng silicon, na may kakayahang makatiis ng mga boltahe na higit sa 10kV.
lGaN: Bandgap na 3.4eV, electron mobility na 2200 cm²/(V·s), mahusay sa high-frequency na performance.
Pamamahala ng Thermal:
Ang thermal conductivity ng SiC ay umabot sa 4.9 W/(cm·K), tatlong beses na mas mahusay kaysa sa silicon, na ginagawa itong perpekto para sa mga high-power na application.
Materyal na Hamon
SiC: Ang mabagal na single-crystal na paglaki ay nangangailangan ng mga temperaturang higit sa 2000°C, na nagreresulta sa mga depekto ng wafer at mataas na gastos (ang 6-inch na SiC wafer ay 20x na mas mahal kaysa sa silicon).
GaN: Walang natural na substrate, kadalasang nangangailangan ng heteroepitaxy sa sapphire, SiC, o mga silicon na substrate, na humahantong sa mga isyu sa mismatch ng sala-sala.
Mga Pangunahing Aplikasyon
Power Electronics:
Ang mga EV inverter (hal., Tesla Model 3 ay gumagamit ng mga SiC MOSFET, na nagpapahusay ng kahusayan ng 5–10%).
Mga fast-charging station/adapter (GaN device enable 100W+ fast charging habang binabawasan ang laki ng 50%).
Mga RF Device:
Mga power amplifier ng 5G base station (Sinusuportahan ng GaN-on-SiC PA ang mga frequency ng mmWave).
Military radar (Nag-aalok ang GaN ng 5x na density ng kapangyarihan ng GaAs).
Optoelectronics:
Mga UV LED (mga materyales na AlGaN na ginagamit sa isterilisasyon at pagtuklas ng kalidad ng tubig).
Katayuan ng Industriya at Pananaw sa Hinaharap
Ang SiC ay nangingibabaw sa high-power market, na may automotive-grade modules na nasa mass production na, kahit na ang mga gastos ay nananatiling hadlang.
Ang GaN ay mabilis na lumalawak sa consumer electronics (fast charging) at RF application, na lumilipat patungo sa 8-inch na mga wafer.
Ang mga umuusbong na materyales tulad ng gallium oxide (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) at brilyante (5.5eV) ay maaaring bumuo ng isang "ikaapat na henerasyon" ng mga semiconductors, na nagtutulak sa mga limitasyon ng boltahe na lampas sa 20kV.
Coexistence at Synergy ng Semiconductor Generations
Complementarity, Hindi Pagpapalit:
Ang Silicon ay nananatiling nangingibabaw sa logic chips at consumer electronics (95% ng pandaigdigang merkado ng semiconductor).
Dalubhasa ang GaAs at InP sa high-frequency at optoelectronic na mga niches.
Ang SiC/GaN ay hindi mapapalitan sa mga aplikasyon ng enerhiya at pang-industriya.
Mga Halimbawa ng Pagsasama ng Teknolohiya:
GaN-on-Si: Pinagsasama ang GaN sa mga murang silicon na substrate para sa mabilis na pagsingil at mga RF application.
Mga hybrid na module ng SiC-IGBT: Pagbutihin ang kahusayan sa conversion ng grid.
Mga Trend sa Hinaharap:
Heterogenous integration: Pinagsasama-sama ang mga materyales (hal., Si + GaN) sa isang chip para balansehin ang performance at gastos.
Ang mga ultra-wide bandgap na materyales (hal., Ga₂O₃, brilyante) ay maaaring paganahin ang ultra-high-voltage (>20kV) at quantum computing application.
Kaugnay na produksyon
GaAs laser epitaxial wafer 4 pulgada 6 pulgada
12 inch SIC substrate silicon carbide prime grade diameter 300mm malaking sukat 4H-N Angkop para sa high power device na pag-aalis ng init
Oras ng post: Mayo-07-2025