Vật liệu bán dẫn đã phát triển qua ba thế hệ mang tính chuyển đổi:
Thế hệ thứ nhất (Si/Ge) đã đặt nền tảng cho ngành điện tử hiện đại,
Thế hệ thứ 2 (GaAs/InP) đã phá vỡ rào cản quang điện tử và tần số cao để thúc đẩy cuộc cách mạng thông tin,
Thế hệ thứ 3 (SiC/GaN) hiện giải quyết được các thách thức về năng lượng và môi trường khắc nghiệt, hướng tới kỷ nguyên trung hòa carbon và 6G.
Sự tiến triển này cho thấy sự thay đổi mô hình từ tính linh hoạt sang tính chuyên môn hóa trong khoa học vật liệu.
1. Chất bán dẫn thế hệ đầu tiên: Silic (Si) và Germani (Ge)
Bối cảnh lịch sử
Năm 1947, Bell Labs phát minh ra bóng bán dẫn germani, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên bán dẫn. Đến những năm 1950, silicon dần thay thế germani làm nền tảng của mạch tích hợp (IC) do lớp oxit ổn định (SiO₂) và trữ lượng tự nhiên dồi dào.
Tính chất vật liệu
ⅠKhoảng cách băng thông:
Germani: 0,67eV (khoảng cách dải hẹp, dễ bị rò rỉ dòng điện, hiệu suất nhiệt độ cao kém).
Silic: 1,12eV (khoảng cách dải gián tiếp, phù hợp với mạch logic nhưng không có khả năng phát xạ ánh sáng).
ⅡƯu điểm của Silicon:
Tạo thành oxit chất lượng cao (SiO₂) một cách tự nhiên, cho phép chế tạo MOSFET.
Chi phí thấp và có nhiều đất (~28% thành phần vỏ trái đất).
Ⅲ、Hạn chế:
Độ linh động của electron thấp (chỉ 1500 cm²/(V·s)), hạn chế hiệu suất tần số cao.
Khả năng chịu điện áp/nhiệt độ yếu (nhiệt độ hoạt động tối đa ~150°C).
Ứng dụng chính
Ⅰ、Mạch tích hợp (IC):
CPU, chip nhớ (ví dụ: DRAM, NAND) dựa vào silicon để có mật độ tích hợp cao.
Ví dụ: Intel 4004 (1971), bộ vi xử lý thương mại đầu tiên, sử dụng công nghệ silicon 10μm.
ⅡThiết bị điện:
Các thyristor và MOSFET điện áp thấp ban đầu (ví dụ: nguồn điện cho máy tính) đều có cấu trúc từ silicon.
Thách thức và sự lỗi thời
Germanium đã bị loại bỏ do rò rỉ và mất ổn định nhiệt. Tuy nhiên, những hạn chế của silicon trong quang điện tử và các ứng dụng công suất cao đã thúc đẩy sự phát triển của chất bán dẫn thế hệ tiếp theo.
2Chất bán dẫn thế hệ thứ hai: Gallium Arsenide (GaAs) và Indium Phosphide (InP)
Bối cảnh phát triển
Trong những năm 1970–1980, các lĩnh vực mới nổi như truyền thông di động, mạng cáp quang và công nghệ vệ tinh đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về vật liệu quang điện tử hiệu quả và tần số cao. Điều này thúc đẩy sự phát triển của các chất bán dẫn bandgap trực tiếp như GaAs và InP.
Tính chất vật liệu
Hiệu suất Bandgap & quang điện tử:
GaAs: 1,42eV (khoảng cách băng tần trực tiếp, cho phép phát xạ ánh sáng—lý tưởng cho laser/LED).
InP: 1,34eV (phù hợp hơn cho các ứng dụng bước sóng dài, ví dụ như truyền thông cáp quang 1550nm).
Độ di chuyển của electron:
GaAs đạt 8500 cm²/(V·s), vượt xa silicon (1500 cm²/(V·s)), khiến nó trở nên tối ưu cho xử lý tín hiệu dải GHz.
Nhược điểm
tôiChất nền giòn: Khó sản xuất hơn silicon; giá thành của tấm GaAs đắt hơn 10 lần.
tôiKhông có oxit tự nhiên: Không giống như SiO₂ của silicon, GaAs/InP không có oxit ổn định, cản trở việc chế tạo IC mật độ cao.
Ứng dụng chính
tôiĐầu cuối RF:
Bộ khuếch đại công suất di động (PA), bộ thu phát vệ tinh (ví dụ: bóng bán dẫn HEMT dựa trên GaAs).
tôiQuang điện tử:
Điốt laser (ổ đĩa CD/DVD), đèn LED (đỏ/hồng ngoại), mô-đun sợi quang (laser InP).
tôiPin mặt trời vũ trụ:
Pin GaAs đạt hiệu suất 30% (so với ~20% của silicon), rất quan trọng đối với vệ tinh.
tôiNút thắt công nghệ
Chi phí cao khiến GaAs/InP chỉ phù hợp với các ứng dụng cao cấp, không thể thay thế sự thống trị của silicon trong chip logic.
Chất bán dẫn thế hệ thứ ba (Chất bán dẫn có khoảng cách băng thông rộng): Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN)
Trình điều khiển công nghệ
Cách mạng năng lượng: Xe điện và tích hợp lưới điện năng lượng tái tạo đòi hỏi các thiết bị điện hiệu quả hơn.
Nhu cầu tần số cao: Hệ thống radar và truyền thông 5G yêu cầu tần số và mật độ công suất cao hơn.
Môi trường khắc nghiệt: Các ứng dụng hàng không vũ trụ và động cơ công nghiệp cần những vật liệu có khả năng chịu được nhiệt độ trên 200°C.
Đặc điểm vật liệu
Ưu điểm của băng thông rộng:
tôiSiC: Khoảng cách dải 3,26eV, cường độ điện trường đánh thủng gấp 10 lần cường độ điện trường của silicon, có khả năng chịu được điện áp trên 10kV.
tôiGaN: Khoảng cách dải 3,4eV, độ linh động của electron là 2200 cm²/(V·s), hiệu suất tần số cao vượt trội.
Quản lý nhiệt:
Độ dẫn nhiệt của SiC đạt tới 4,9 W/(cm·K), tốt hơn silicon gấp ba lần, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao.
Thách thức về vật liệu
SiC: Sự phát triển chậm của tinh thể đơn đòi hỏi nhiệt độ trên 2000°C, dẫn đến lỗi wafer và chi phí cao (wafer SiC 6 inch đắt hơn silicon 20 lần).
GaN: Không có chất nền tự nhiên, thường đòi hỏi phải có epitaxy dị thể trên chất nền sapphire, SiC hoặc silicon, dẫn đến các vấn đề không khớp mạng tinh thể.
Ứng dụng chính
Điện tử công suất:
Bộ biến tần EV (ví dụ: Tesla Model 3 sử dụng SiC MOSFET, cải thiện hiệu suất từ 5–10%).
Trạm/bộ chuyển đổi sạc nhanh (thiết bị GaN cho phép sạc nhanh 100W+ trong khi giảm kích thước tới 50%).
Thiết bị RF:
Bộ khuếch đại công suất trạm gốc 5G (PA GaN-on-SiC hỗ trợ tần số mmWave).
Radar quân sự (GaN cung cấp mật độ công suất gấp 5 lần so với GaAs).
Quang điện tử:
Đèn LED UV (vật liệu AlGaN dùng trong khử trùng và phát hiện chất lượng nước).
Tình hình ngành và triển vọng tương lai
SiC thống trị thị trường công suất cao với các mô-đun cấp ô tô đã được sản xuất hàng loạt, mặc dù chi phí vẫn là rào cản.
GaN đang phát triển nhanh chóng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng (sạc nhanh) và các ứng dụng RF, chuyển sang dạng wafer 8 inch.
Các vật liệu mới nổi như gali oxit (Ga₂O₃, khoảng cách dải 4,8eV) và kim cương (5,5eV) có thể tạo thành “thế hệ thứ tư” của chất bán dẫn, đẩy giới hạn điện áp lên trên 20kV.
Sự cùng tồn tại và sự hiệp lực của các thế hệ bán dẫn
Bổ sung chứ không phải thay thế:
Silicon vẫn chiếm ưu thế trong chip logic và thiết bị điện tử tiêu dùng (chiếm 95% thị trường bán dẫn toàn cầu).
GaAs và InP chuyên về các lĩnh vực quang điện tử và tần số cao.
SiC/GaN là vật liệu không thể thay thế trong các ứng dụng năng lượng và công nghiệp.
Ví dụ về tích hợp công nghệ:
GaN-on-Si: Kết hợp GaN với chất nền silicon giá rẻ để sạc nhanh và ứng dụng RF.
Mô-đun lai SiC-IGBT: Cải thiện hiệu suất chuyển đổi lưới điện.
Xu hướng tương lai:
Tích hợp không đồng nhất: Kết hợp các vật liệu (ví dụ: Si + GaN) trên một con chip duy nhất để cân bằng hiệu suất và chi phí.
Vật liệu có khoảng cách băng cực rộng (ví dụ: Ga₂O₃, kim cương) có thể cho phép ứng dụng điện toán lượng tử và điện áp cực cao (>20kV).
Sản xuất liên quan
Tấm wafer epitaxial laser GaAs 4 inch 6 inch
Tấm nền SIC 12 inch silicon carbide cấp cao cấp đường kính 300mm kích thước lớn 4H-N Thích hợp cho tản nhiệt thiết bị công suất cao
Thời gian đăng: 07-05-2025