Pojedynczy kryształ GaN

Technologia półprzewodników stanowi podstawę współczesnej cywilizacji, zasadniczo zmieniając sposób, w jaki żyjemy, pracujemy i wchodzimy w interakcję ze światem. Umożliwiło bezprecedensowy postęp w różnych dziedzinach, w tym w technologiach informatycznych, energetyce, telekomunikacji i opiece zdrowotnej. Od mikroprocesorów zasilających nasze smartfony i komputery, po czujniki w urządzeniach medycznych i energoelektronikę w systemach energii odnawialnej, półprzewodniki stanowią rdzeń niemal każdej innowacji technologicznej minionego stulecia.

Pierwsza generacja półprzewodników: german i krzem

Historia technologii półprzewodników rozpoczęła się wraz z pierwszą generacją półprzewodników, głównie germanu (Ge) i krzemu (Si). Materiały te są półprzewodnikami elementarnymi, co oznacza, że ​​składają się z jednego elementu. W szczególności krzem jest najpowszechniej stosowanym materiałem półprzewodnikowym ze względu na jego obfitość, opłacalność i doskonałe właściwości elektroniczne. Technologia oparta na krzemie dojrzewała przez dziesięciolecia, co doprowadziło do rozwoju układów scalonych (IC), które stanowią podstawę nowoczesnej elektroniki. Zdolność krzemu do tworzenia stabilnej i wysokiej jakości warstwy tlenku (dwutlenku krzemu) jest kluczowym czynnikiem sukcesu urządzeń typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOS), które stanowią elementy składowe większości elektroniki cyfrowej.

Półprzewodniki drugiej generacji: arsenek galu i fosforek indu

Wraz z rozwojem technologii oczywiste stały się ograniczenia krzemu, szczególnie w zastosowaniach wymagających dużych prędkości i wysokiej częstotliwości. Doprowadziło to do opracowania drugiej generacji półprzewodników, która obejmuje półprzewodniki złożone, takie jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP). Materiały te są znane ze swojej doskonałej mobilności elektronów i bezpośredniego pasma wzbronionego, co czyni je idealnymi do stosowania w urządzeniach optoelektronicznych, takich jak diody elektroluminescencyjne (LED), diody laserowe i tranzystory wysokiej częstotliwości. Na przykład GaAs jest szeroko stosowany w systemach komunikacji mikrofalowej i milimetrowej, a także w technologiach satelitarnych i radarowych. Pomimo ich zalet, powszechne zastosowanie GaA i InP zostało ograniczone ze względu na wyższe koszty i wyzwania w produkcji.

Trzecia generacja półprzewodników:Węglik krzemuIazotek galu

W ostatnich latach uwaga przesunęła się na trzecią generację półprzewodników, która obejmuje materiały takie jakwęglik krzemu (SiC)Iazotek galu (GaN). Materiały te mają szerokie pasmo wzbronione, co oznacza, że ​​mogą pracować przy wyższych napięciach, temperaturach i częstotliwościach niż ich poprzednicy.GaNw szczególności wzbudził duże zainteresowanie ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, w tym szerokie pasmo wzbronione wynoszące 3,4 eV, wysoką ruchliwość elektronów, wysokie napięcie przebicia i doskonałą przewodność cieplną. Te cechy sprawiająGaNjest idealnym kandydatem do zastosowań wymagających dużej mocy i wysokiej częstotliwości, takich jak szybkie ładowarki, tranzystory mocy i urządzenia mikrofalowe o częstotliwości radiowej (RF).

Struktura kryształu i wiązanieGaN

GaNnależy do grupy III-V półprzewodników złożonych, w skład których wchodzą pierwiastki z grupy III (np. gal) i grupy V (np. azot) układu okresowego. Struktura krystalicznaGaNmoże występować w dwóch podstawowych formach: sześciokątnego wurcytu i sześciennego sfalerytu. Na rodzaj utworzonej struktury krystalicznej wpływa charakter wiązań chemicznych między atomami. W związkach półprzewodnikowych wiązanie może być mieszanką wiązań kowalencyjnych i jonowych. Im bardziej jonowe wiązanie, tym większe prawdopodobieństwo, że materiał utworzy strukturę wurcytu. W przypadkuGaN, duża różnica elektroujemności między galem (Ga) i azotem (N) prowadzi do znacznego charakteru jonowego wiązania. W rezultacieGaNzazwyczaj krystalizuje w strukturze wurcytu, który jest znany ze swojej wysokiej stabilności termicznej i odporności na korozję chemiczną.

ZaletyGaNW stosunku do wcześniejszych materiałów półprzewodnikowych

W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi pierwszej i drugiej generacji,GaNoferuje kilka zalet, które czynią go szczególnie atrakcyjnym w najnowocześniejszych zastosowaniach. Jedną z najważniejszych zalet jest szerokie pasmo wzbronione, umożliwiające urządzeniom opartym na GaN pracę przy wyższych napięciach i temperaturach bez awarii. To sprawia, że ​​GaN jest doskonałym materiałem do zastosowań w energoelektronice, gdzie wydajność i zarządzanie temperaturą mają kluczowe znaczenie. Dodatkowo GaN ma niższą stałą dielektryczną, co pomaga zmniejszyć pojemność i umożliwia szybsze przełączanie tranzystorów.

GaNcharakteryzuje się również wyższą krytyczną siłą pola elektrycznego, umożliwiając urządzeniom obsługę większych pól elektrycznych bez awarii. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach wymagających dużej mocy, gdzie niezbędna jest zdolność do zarządzania wysokimi napięciami i prądami. Co więcej, wysoka ruchliwość elektronów GaN przyczynia się do jego przydatności do zastosowań o wysokiej częstotliwości, takich jak urządzenia RF i mikrofalowe. Połączenie tych właściwości — wysokiej przewodności cieplnej, odporności na wysoką temperaturę i twardości radiacyjnej — sprawia, że ​​GaN jest wszechstronnym materiałem, który może odegrać kluczową rolę w urządzeniach elektronicznych nowej generacji.

GaNw nowoczesnych zastosowaniach i perspektywach na przyszłość

Unikalne właściwościGaNzaczęły już rewolucjonizować wiele branż. W elektronice użytkowej szybkie ładowarki oparte na GaN stają się coraz bardziej popularne ze względu na ich wydajność i niewielkie rozmiary w porównaniu z tradycyjnymi ładowarkami na bazie krzemu. W dziedzinie telekomunikacji GaN jest wykorzystywany do opracowywania tranzystorów wysokiej częstotliwości, które są niezbędne w sieciach 5G i nie tylko. Sektory lotniczy i obronny również badają potencjał GaN do wykorzystania w radarach i systemach komunikacyjnych dużej mocy, gdzie jego zdolność do działania w ekstremalnych warunkach jest nieoceniona.