Bahan semikonduktor telah berevolusi melalui tiga generasi transformatif:
Generasi 1 (Si/Ge) meletakkan dasar elektronik modern,
Generasi ke-2 (GaAs/InP) menerobos hambatan optoelektronik dan frekuensi tinggi untuk mendorong revolusi informasi,
Generasi ke-3 (SiC/GaN) kini mengatasi tantangan energi dan lingkungan ekstrem, memungkinkan netralitas karbon dan era 6G.
Perkembangan ini menyingkapkan pergeseran paradigma dari fleksibilitas ke spesialisasi dalam ilmu material.
1. Semikonduktor Generasi Pertama: Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
Latar Belakang Sejarah
Pada tahun 1947, Bell Labs menemukan transistor germanium, yang menandai dimulainya era semikonduktor. Pada tahun 1950-an, silikon secara bertahap menggantikan germanium sebagai fondasi sirkuit terpadu (IC) karena lapisan oksidanya yang stabil (SiO₂) dan cadangan alamnya yang melimpah.
Sifat Material
ⅠCelah pita:
Germanium: 0,67eV (celah pita sempit, rentan terhadap kebocoran arus, kinerja suhu tinggi yang buruk).
Silikon: 1,12eV (celah pita tidak langsung, cocok untuk rangkaian logika tetapi tidak mampu memancarkan cahaya).
Ⅱ、Keunggulan Silikon:
Secara alami membentuk oksida berkualitas tinggi (SiO₂), yang memungkinkan fabrikasi MOSFET.
Biaya rendah dan melimpah di bumi (~28% komposisi kerak bumi).
Ⅲ、Keterbatasan:
Mobilitas elektron rendah (hanya 1500 cm²/(V·s)), membatasi kinerja frekuensi tinggi.
Toleransi tegangan/suhu lemah (suhu operasi maks. ~150°C).
Aplikasi Utama
Ⅰ、Sirkuit Terpadu (IC):
CPU, chip memori (misalnya, DRAM, NAND) mengandalkan silikon untuk kepadatan integrasi yang tinggi.
Contoh: Intel 4004 (1971), mikroprosesor komersial pertama, menggunakan teknologi silikon 10μm.
Ⅱ、Perangkat Listrik:
Thyristor dan MOSFET tegangan rendah awal (misalnya, catu daya PC) berbasis silikon.
Tantangan & Keusangan
Germanium dihentikan produksinya karena kebocoran dan ketidakstabilan termal. Namun, keterbatasan silikon dalam optoelektronik dan aplikasi daya tinggi memacu pengembangan semikonduktor generasi berikutnya.
Semikonduktor Generasi Kedua: Gallium Arsenide (GaAs) dan Indium Phosphide (InP)
Latar Belakang Pengembangan
Selama tahun 1970-an hingga 1980-an, bidang-bidang baru seperti komunikasi seluler, jaringan serat optik, dan teknologi satelit menciptakan permintaan yang mendesak akan material optoelektronik yang efisien dan berfrekuensi tinggi. Hal ini mendorong kemajuan semikonduktor celah pita langsung seperti GaAs dan InP.
Sifat Material
Celah pita & Kinerja Optoelektronik:
GaAs: 1,42eV (celah pita langsung, memungkinkan emisi cahaya—ideal untuk laser/LED).
InP: 1,34eV (lebih cocok untuk aplikasi panjang gelombang panjang, misalnya, komunikasi serat optik 1550nm).
Mobilitas Elektron:
GaAs mencapai 8500 cm²/(V·s), jauh melampaui silikon (1500 cm²/(V·s)), membuatnya optimal untuk pemrosesan sinyal rentang GHz.
Kekurangan
akuSubstrat rapuh: Lebih sulit diproduksi daripada silikon; wafer GaAs harganya 10x lebih mahal.
akuTidak ada oksida asli: Tidak seperti SiO₂ silikon, GaAs/InP tidak memiliki oksida yang stabil, sehingga menghambat fabrikasi IC berdensitas tinggi.
Aplikasi Utama
akuUjung Depan RF:
Penguat daya bergerak (PA), transceiver satelit (misalnya, transistor HEMT berbasis GaAs).
akuOptoelektronik:
Dioda laser (drive CD/DVD), LED (merah/inframerah), modul serat optik (laser InP).
akuSel Surya Luar Angkasa:
Sel GaAs mencapai efisiensi 30% (vs. ~20% untuk silikon), penting untuk satelit.
akuHambatan Teknologi
Biaya tinggi membatasi GaAs/InP pada aplikasi khusus kelas atas, mencegahnya menggantikan dominasi silikon dalam chip logika.
Semikonduktor Generasi Ketiga (Semikonduktor Celah Pita Lebar): Silikon Karbida (SiC) dan Galium Nitrida (GaN)
Penggerak Teknologi
Revolusi Energi: Kendaraan listrik dan integrasi jaringan energi terbarukan membutuhkan perangkat listrik yang lebih efisien.
Kebutuhan Frekuensi Tinggi: Sistem komunikasi dan radar 5G memerlukan frekuensi dan kepadatan daya yang lebih tinggi.
Lingkungan Ekstrem: Aplikasi motor industri dan kedirgantaraan memerlukan material yang mampu menahan suhu melebihi 200°C.
Karakteristik Material
Keuntungan celah pita lebar:
akuSiC: Celah pita 3,26 eV, kekuatan medan listrik tembus 10× lebih besar dari silikon, mampu menahan tegangan lebih dari 10 kV.
akuGaN: Celah pita 3,4 eV, mobilitas elektron 2200 cm²/(V·s), unggul dalam kinerja frekuensi tinggi.
Manajemen Termal:
Konduktivitas termal SiC mencapai 4,9 W/(cm·K), tiga kali lebih baik dari silikon, membuatnya ideal untuk aplikasi daya tinggi.
Tantangan Material
SiC: Pertumbuhan kristal tunggal yang lambat memerlukan suhu di atas 2000°C, yang mengakibatkan cacat wafer dan biaya tinggi (wafer SiC 6 inci 20x lebih mahal daripada silikon).
GaN: Tidak memiliki substrat alami, sering kali memerlukan heteroepitaksi pada substrat safir, SiC, atau silikon, yang menyebabkan masalah ketidakcocokan kisi.
Aplikasi Utama
Elektronika Daya:
Inverter EV (misalnya, Tesla Model 3 menggunakan MOSFET SiC, meningkatkan efisiensi sebesar 5–10%).
Stasiun/adaptor pengisian cepat (perangkat GaN memungkinkan pengisian cepat 100W+ sambil mengurangi ukuran hingga 50%).
Perangkat RF:
Penguat daya stasiun pangkalan 5G (PA GaN-on-SiC mendukung frekuensi mmWave).
Radar militer (GaN menawarkan kepadatan daya 5× GaAs).
Optoelektronik:
LED UV (bahan AlGaN yang digunakan dalam sterilisasi dan deteksi kualitas air).
Status Industri dan Prospek Masa Depan
SiC mendominasi pasar daya tinggi, dengan modul kelas otomotif yang sudah diproduksi massal, meskipun biaya tetap menjadi penghalang.
GaN berkembang pesat dalam elektronik konsumen (pengisian daya cepat) dan aplikasi RF, beralih ke wafer 8 inci.
Material baru seperti galium oksida (Ga₂O₃, celah pita 4,8 eV) dan berlian (5,5 eV) dapat membentuk semikonduktor “generasi keempat”, yang mendorong batas tegangan melampaui 20 kV.
Koeksistensi dan Sinergi Generasi Semikonduktor
Komplementaritas, Bukan Penggantian:
Silikon tetap dominan dalam chip logika dan elektronik konsumen (95% dari pasar semikonduktor global).
GaAs dan InP mengkhususkan diri pada bidang frekuensi tinggi dan optoelektronik.
SiC/GaN tidak tergantikan dalam aplikasi energi dan industri.
Contoh Integrasi Teknologi:
GaN-on-Si: Menggabungkan GaN dengan substrat silikon berbiaya rendah untuk pengisian cepat dan aplikasi RF.
Modul hibrida SiC-IGBT: Meningkatkan efisiensi konversi jaringan.
Tren Masa Depan:
Integrasi heterogen: Menggabungkan material (misalnya, Si + GaN) pada satu chip untuk menyeimbangkan kinerja dan biaya.
Material celah pita ultra-lebar (misalnya, Ga₂O₃, berlian) dapat memungkinkan aplikasi komputasi kuantum dan tegangan ultra-tinggi (>20kV).
Produksi terkait
Wafer epitaksial laser GaAs 4 inci 6 inci
Substrat SIC silikon karbida 12 inci diameter kelas utama 300mm ukuran besar 4H-N Cocok untuk pembuangan panas perangkat daya tinggi
Waktu posting: 07-Mei-2025