Els materials semiconductors han evolucionat a través de tres generacions transformadores:
La primera generació (Si/Ge) va establir les bases de l'electrònica moderna.
La segona generació (GaAs/InP) va trencar les barreres optoelectròniques i d'alta freqüència per impulsar la revolució de la informació.
La tercera generació (SiC/GaN) ara aborda els reptes energètics i dels entorns extrems, permetent la neutralitat del carboni i l'era del 6G.
Aquesta progressió revela un canvi de paradigma, de la versatilitat a l'especialització en ciència de materials.
1. Semiconductors de primera generació: silici (Si) i germani (Ge)
Antecedents històrics
El 1947, Bell Labs va inventar el transistor de germani, marcant l'alba de l'era dels semiconductors. A la dècada del 1950, el silici va substituir gradualment el germani com a base dels circuits integrats (CI) a causa de la seva capa d'òxid estable (SiO₂) i les seves abundants reserves naturals.
Propietats del material
ⅠBanda prohibida:
Germani: 0,67 eV (interval de banda estret, propens a corrents de fuita, rendiment deficient a altes temperatures).
Silici: 1,12 eV (interval de banda indirecte, adequat per a circuits lògics però incapaç d'emetre llum).
Ⅱ,Avantatges del silici:
Forma naturalment un òxid d'alta qualitat (SiO₂), cosa que permet la fabricació de MOSFET.
Baix cost i abundant a la Terra (~28% de la composició de l'escorça terrestre).
III,Limitacions:
Baixa mobilitat d'electrons (només 1500 cm²/(V·s)), cosa que restringeix el rendiment a alta freqüència.
Tolerància feble a la tensió/temperatura (temperatura màxima de funcionament ~150 °C).
Aplicacions clau
Ⅰ,Circuits integrats (CI):
Les CPU i els xips de memòria (per exemple, DRAM i NAND) depenen del silici per a una alta densitat d'integració.
Exemple: l'Intel 4004 (1971), el primer microprocessador comercial, utilitzava tecnologia de silici de 10 μm.
Ⅱ,Dispositius d'alimentació:
Els primers tiristors i MOSFET de baixa tensió (per exemple, les fonts d'alimentació dels PC) estaven basats en silici.
Reptes i obsolescència
El germani es va eliminar gradualment a causa de les fuites i la inestabilitat tèrmica. Tanmateix, les limitacions del silici en l'optoelectrònica i les aplicacions d'alta potència van impulsar el desenvolupament de semiconductors de nova generació.
2Semiconductors de segona generació: arseniur de gal·li (GaAs) i fosfur d'indi (InP)
Antecedents de desenvolupament
Durant les dècades del 1970 i del 1980, camps emergents com les comunicacions mòbils, les xarxes de fibra òptica i la tecnologia de satèl·lits van crear una demanda urgent de materials optoelectrònics d'alta freqüència i eficients. Això va impulsar l'avanç dels semiconductors de banda prohibida directa com el GaAs i l'InP.
Propietats del material
Rendiment optoelectrònic i de banda prohibida:
GaAs: 1,42 eV (interval de banda directe, permet l'emissió de llum, ideal per a làsers/LED).
InP: 1,34 eV (més adequat per a aplicacions de longitud d'ona llarga, p. ex., comunicacions de fibra òptica de 1550 nm).
Mobilitat d'electrons:
El GaAs arriba als 8500 cm²/(V·s), superant amb escreix el silici (1500 cm²/(V·s)), cosa que el fa òptim per al processament de senyals en l'interval de GHz.
Desavantatges
lSubstrats fràgils: més difícils de fabricar que el silici; les oblies de GaAs costen 10 vegades més.
lSense òxid natiu: a diferència del SiO₂ del silici, el GaAs/InP no té òxids estables, cosa que dificulta la fabricació de circuits integrats d'alta densitat.
Aplicacions clau
lFront-ends de RF:
Amplificadors de potència (PA) mòbils, transceptors de satèl·lit (per exemple, transistors HEMT basats en GaAs).
lOptoelectrònica:
Díodes làser (unitats de CD/DVD), LED (vermell/infraroig), mòduls de fibra òptica (làsers InP).
lCèl·lules solars espacials:
Les cèl·lules de GaAs aconsegueixen una eficiència del 30% (enfront del ~20% del silici), crucial per als satèl·lits.
lColls d'ampolla tecnològics
Els alts costos limiten GaAs/InP a aplicacions de gamma alta de nínxol, cosa que els impedeix desplaçar el domini del silici en els xips lògics.
Semiconductors de tercera generació (semiconductors de banda ampla): carbur de silici (SiC) i nitrur de gal·li (GaN)
Impulsors tecnològics
Revolució energètica: els vehicles elèctrics i la integració a la xarxa d'energies renovables exigeixen dispositius d'energia més eficients.
Necessitats d'alta freqüència: les comunicacions 5G i els sistemes de radar requereixen freqüències i densitat de potència més altes.
Entorns extrems: Les aplicacions aeroespacials i de motors industrials necessiten materials capaços de suportar temperatures superiors a 200 °C.
Característiques del material
Avantatges de la banda prohibida àmplia:
lSiC: Banda prohibida de 3,26 eV, intensitat de camp elèctric de ruptura 10 vegades superior a la del silici, capaç de suportar tensions superiors a 10 kV.
lGaN: Bandgap de 3,4 eV, mobilitat electrònica de 2200 cm²/(V·s), excel·lent rendiment d'alta freqüència.
Gestió tèrmica:
La conductivitat tèrmica del SiC arriba als 4,9 W/(cm·K), tres vegades millor que la del silici, cosa que el fa ideal per a aplicacions d'alta potència.
Reptes materials
SiC: El creixement lent d'un monocristall requereix temperatures superiors a 2000 °C, cosa que provoca defectes a les oblies i costos elevats (una oblia de SiC de 6 polzades és 20 vegades més cara que el silici).
GaN: No té un substrat natural, sovint requereix heteroepitaxia en substrats de safir, SiC o silici, cosa que provoca problemes de desajust de xarxa.
Aplicacions clau
Electrònica de potència:
Inversors de vehicles elèctrics (per exemple, el Tesla Model 3 utilitza MOSFET de SiC, cosa que millora l'eficiència entre un 5 i un 10%).
Estacions/adaptadors de càrrega ràpida (els dispositius GaN permeten una càrrega ràpida de més de 100 W i redueixen la mida en un 50%).
Dispositius de radiofreqüència:
Amplificadors de potència d'estació base 5G (els PA de GaN-on-SiC admeten freqüències mmWave).
Radar militar (el GaN ofereix 5 vegades la densitat de potència del GaAs).
Optoelectrònica:
LED UV (materials d'AlGaN utilitzats en l'esterilització i la detecció de la qualitat de l'aigua).
Estat de la indústria i perspectives de futur
El SiC domina el mercat d'alta potència, amb mòduls de grau automotriu que ja es produeixen en massa, tot i que els costos continuen sent una barrera.
El GaN s'està expandint ràpidament en l'electrònica de consum (càrrega ràpida) i les aplicacions de radiofreqüència, fent la transició cap a oblies de 8 polzades.
Materials emergents com l'òxid de gal·li (Ga₂O₃, interval de banda 4.8eV) i el diamant (5.5eV) poden formar una "quarta generació" de semiconductors, elevant els límits de voltatge més enllà dels 20 kV.
Coexistència i sinergia de generacions de semiconductors
Complementarietat, no substitució:
El silici continua sent dominant en xips lògics i electrònica de consum (95% del mercat mundial de semiconductors).
El GaAs i l'InP s'especialitzen en nínxols d'alta freqüència i optoelectrònics.
El SiC/GaN són irreemplaçables en aplicacions energètiques i industrials.
Exemples d'integració tecnològica:
GaN-on-Si: Combina GaN amb substrats de silici de baix cost per a aplicacions de càrrega ràpida i RF.
Mòduls híbrids SiC-IGBT: Milloren l'eficiència de la conversió de la xarxa.
Tendències futures:
Integració heterogènia: combinació de materials (per exemple, Si + GaN) en un sol xip per equilibrar el rendiment i el cost.
Els materials de banda prohibida ultraampla (per exemple, Ga₂O₃, diamant) poden permetre aplicacions de computació quàntica i d'ultra alt voltatge (>20 kV).
Producció relacionada
Oblia epitaxial làser de GaAs de 4 polzades i 6 polzades
Substrat SIC de carbur de silici de primera qualitat de 12 polzades, diàmetre de 300 mm, mida gran 4H-N, adequat per a la dissipació de calor de dispositius d'alta potència
Data de publicació: 07 de maig de 2025