Wat zijn halfgeleidermaterialen van de eerste generatie, tweede generatie, derde generatie en vierde generatie?

Halfgeleidermaterialen zijn materialen met elektrische geleidbaarheid tussen geleiders en isolatoren bij kamertemperatuur, die veel worden gebruikt op gebieden als geïntegreerde schakelingen, communicatie, energie en opto-elektronica. Met de ontwikkeling van de technologie zijn halfgeleidermaterialen geëvolueerd van de eerste generatie naar de vierde generatie.

Halverwege de 20e eeuw bestond de eerste generatie halfgeleidermaterialen voornamelijk uit germanium (Ge) ensilicium(Si). Met name de eerste transistor en het eerste geïntegreerde circuit ter wereld waren beide gemaakt van germanium. Maar het werd eind jaren zestig geleidelijk vervangen door silicium, vanwege de nadelen ervan, zoals een lage thermische geleidbaarheid, een laag smeltpunt, een slechte weerstand tegen hoge temperaturen, een onstabiele wateroplosbare oxidestructuur en een zwakke mechanische sterkte. Dankzij zijn superieure weerstand tegen hoge temperaturen, uitstekende weerstand tegen straling, opmerkelijke kosteneffectiviteit en overvloedige reserves, verving silicium geleidelijk germanium als het reguliere materiaal en behield deze positie tot nu toe.

In de jaren negentig begon de tweede generatie halfgeleidermaterialen op te komen, met galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP) als representatieve materialen. De tweede halfgeleidermaterialen bieden voordelen zoals een grote bandafstand, lage dragerconcentratie, superieure opto-elektronische eigenschappen, evenals uitstekende thermische weerstand en stralingsweerstand. Deze voordelen zorgen ervoor dat ze op grote schaal worden gebruikt in microgolfcommunicatie, satellietcommunicatie, optische communicatie, opto-elektronische apparaten en satellietnavigatie. De toepassingen van samengestelde halfgeleidermaterialen worden echter beperkt door kwesties als zeldzame reserves, hoge materiaalkosten, inherente toxiciteit, diepgaande defecten en problemen bij het vervaardigen van grote wafers.

In de 21e eeuw zijn er halfgeleidermaterialen van de derde generatiesiliciumcarbide(SiC), galliumnitride (GaN) en zinkoxide (ZnO) ontstonden. Halfgeleidermaterialen van de derde generatie staan ​​bekend als halfgeleidermaterialen met een brede bandafstand en vertonen uitstekende eigenschappen zoals een hoge doorslagspanning, hoge elektronenverzadigingssnelheid, uitzonderlijke thermische geleidbaarheid en uitstekende stralingsweerstand. Deze materialen zijn geschikt voor de vervaardiging van halfgeleiderapparaten die functioneren in toepassingen met hoge temperaturen, hoge spanning, hoge frequentie, hoge straling en hoog vermogen.

Tegenwoordig worden de halfgeleidermaterialen van de vierde generatie vertegenwoordigd doorgalliumoxide(Ga₂O₃), diamant (C) en aluminiumnitride (AlN). Deze materialen worden halfgeleidermaterialen met ultrabrede bandafstand genoemd en hebben een hogere doorslagveldsterkte dan halfgeleiders van de derde generatie. Ze zijn bestand tegen hogere spanningen en vermogensniveaus en zijn geschikt voor de productie van krachtige elektronische apparaten en hoogwaardige elektronische apparaten op radiofrequentie. De productie- en toeleveringsketen van deze halfgeleidermaterialen van de vierde generatie zijn echter nog niet volwassen, wat aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengt bij de productie en voorbereiding.