Que sont les matériaux semi-conducteurs de première, deuxième, troisième et quatrième génération ?

Les matériaux semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique entre les conducteurs et les isolants à température ambiante, qui sont largement utilisés dans des domaines tels que les circuits intégrés, les communications, l'énergie et l'optoélectronique. Avec le développement de la technologie, les matériaux semi-conducteurs ont évolué de la première à la quatrième génération.

Au milieu du XXe siècle, la première génération de matériaux semi-conducteurs était principalement composée de germanium (Ge) etsilicium(Si). Notamment, le premier transistor et le premier circuit intégré au monde étaient tous deux fabriqués en germanium. Mais il a été progressivement remplacé par le silicium à la fin des années 1960, en raison de ses inconvénients tels qu'une faible conductivité thermique, un faible point de fusion, une mauvaise résistance aux hautes températures, une structure d'oxyde hydrosoluble instable et une faible résistance mécanique. Grâce à sa résistance supérieure aux températures élevées, à son excellente résistance aux radiations, à sa rentabilité remarquable et à ses réserves abondantes, le silicium a progressivement remplacé le germanium comme matériau principal et a conservé cette position jusqu'à présent.

Dans les années 1990, la deuxième génération de matériaux semi-conducteurs a commencé à émerger, avec l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP) comme matériaux représentatifs. Les seconds matériaux semi-conducteurs offrent des avantages tels qu'une large bande interdite, une faible concentration de porteurs, des propriétés optoélectroniques supérieures, ainsi qu'une excellente résistance thermique et résistance aux rayonnements. Ces avantages les rendent largement utilisés dans les communications micro-ondes, les communications par satellite, les communications optiques, les dispositifs optoélectroniques et la navigation par satellite. Cependant, les applications des matériaux semi-conducteurs composés sont limitées par des problèmes tels que les réserves rares, les coûts élevés des matériaux, la toxicité inhérente, les défauts profonds et la difficulté de fabriquer des tranches de grande taille.

Au 21ème siècle, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération commecarbure de silicium(SiC), le nitrure de gallium (GaN) et l'oxyde de zinc (ZnO) ont vu le jour. Connus sous le nom de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération présentent d'excellentes propriétés telles qu'une tension de claquage élevée, une vitesse de saturation électronique élevée, une conductivité thermique exceptionnelle et une superbe résistance aux rayonnements. Ces matériaux conviennent à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs fonctionnant dans des applications à haute température, haute tension, haute fréquence, rayonnement élevé et puissance élevée.

De nos jours, les matériaux semi-conducteurs de quatrième génération sont représentés paroxyde de gallium(Ga₂O₃), diamant (C) et nitrure d'aluminium (AlN). Ces matériaux sont appelés matériaux semi-conducteurs à bande interdite ultra-large, ayant une intensité de champ de claquage plus élevée que les semi-conducteurs de troisième génération. Ils peuvent supporter des tensions et des niveaux de puissance plus élevés, adaptés à la fabrication d’appareils électroniques de haute puissance et d’appareils électroniques à radiofréquence hautes performances. Cependant, la fabrication et la chaîne d’approvisionnement de ces matériaux semi-conducteurs de quatrième génération ne sont pas matures, ce qui pose des défis importants en matière de production et de préparation.