Was sind Halbleitermaterialien der ersten, zweiten, dritten und vierten Generation?

Halbleitermaterialien sind Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren bei Raumtemperatur, die in Bereichen wie integrierten Schaltkreisen, Kommunikation, Energie und Optoelektronik weit verbreitet sind. Mit der Entwicklung der Technologie haben sich Halbleitermaterialien von der ersten zur vierten Generation weiterentwickelt.

Mitte des 20. Jahrhunderts bestand die erste Generation von Halbleitermaterialien hauptsächlich aus Germanium (Ge) undSilizium(Si). Bemerkenswert ist, dass sowohl der erste Transistor als auch der erste integrierte Schaltkreis der Welt aus Germanium hergestellt wurden. Aufgrund seiner Nachteile wie geringer Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Schmelzpunkt, schlechter Hochtemperaturbeständigkeit, instabiler wasserlöslicher Oxidstruktur und geringer mechanischer Festigkeit wurde es jedoch Ende der 1960er Jahre nach und nach durch Silizium ersetzt. Dank seiner überlegenen Hochtemperaturbeständigkeit, hervorragenden Strahlungsbeständigkeit, bemerkenswerten Kosteneffizienz und reichlichen Reserven löste Silizium nach und nach Germanium als Hauptmaterial ab und behauptete diese Position bis heute.

In den 1990er Jahren begann die zweite Generation von Halbleitermaterialien zu entstehen, wobei Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) repräsentative Materialien waren. Die zweiten Halbleitermaterialien bieten Vorteile wie eine große Bandlücke, eine niedrige Ladungsträgerkonzentration, überlegene optoelektronische Eigenschaften sowie eine hervorragende Wärmebeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit. Aufgrund dieser Vorteile werden sie häufig in der Mikrowellenkommunikation, Satellitenkommunikation, optischen Kommunikation, optoelektronischen Geräten und der Satellitennavigation eingesetzt. Allerdings sind die Anwendungen von Verbindungshalbleitermaterialien durch Probleme wie seltene Reserven, hohe Materialkosten, inhärente Toxizität, tiefgreifende Defekte und Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Wafer begrenzt.

Im 21. Jahrhundert mögen Halbleitermaterialien der dritten GenerationSiliziumkarbid(SiC), Galliumnitrid (GaN) und Zinkoxid (ZnO) entstanden. Halbleitermaterialien der dritten Generation, bekannt als Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke, weisen hervorragende Eigenschaften wie eine hohe Durchbruchspannung, eine hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und eine hervorragende Strahlungsbeständigkeit auf. Diese Materialien eignen sich für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, die in Hochtemperatur-, Hochspannungs-, Hochfrequenz-, Strahlungs- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden.

Heutzutage werden die Halbleitermaterialien der vierten Generation repräsentiert durchGalliumoxid(Ga₂O₃), Diamant (C) und Aluminiumnitrid (AlN). Diese Materialien werden als Halbleitermaterialien mit ultrabreiter Bandlücke bezeichnet und haben eine höhere Durchbruchfeldstärke als Halbleiter der dritten Generation. Sie halten höheren Spannungen und Leistungspegeln stand und eignen sich für die Herstellung elektronischer Hochleistungsgeräte und hochleistungsfähiger elektronischer Hochfrequenzgeräte. Allerdings sind die Herstellungs- und Lieferkette dieser Halbleitermaterialien der vierten Generation noch nicht ausgereift, was erhebliche Herausforderungen bei der Produktion und Vorbereitung mit sich bringt.