Monokristal GaN

Polprevodniška tehnologija je hrbtenica sodobne civilizacije, ki temeljito preoblikuje način življenja, dela in interakcije s svetom. Omogočil je napredek brez primere na različnih področjih, vključno z informacijsko tehnologijo, energijo, telekomunikacijami in zdravstvenim varstvom. Od mikroprocesorjev, ki poganjajo naše pametne telefone in računalnike, do senzorjev v medicinskih napravah in napajalne elektronike v sistemih obnovljivih virov energije, so polprevodniki jedro skoraj vseh tehnoloških inovacij prejšnjega stoletja.

Prva generacija polprevodnikov: germanij in silicij

Zgodovina polprevodniške tehnologije se je začela s prvo generacijo polprevodnikov, predvsem germanija (Ge) in silicija (Si). Ti materiali so elementarni polprevodniki, kar pomeni, da so sestavljeni iz enega samega elementa. Zlasti silicij je bil najpogosteje uporabljen polprevodniški material zaradi svoje številčnosti, stroškovne učinkovitosti in odličnih elektronskih lastnosti. Tehnologija, ki temelji na siliciju, je zorela skozi desetletja, kar je privedlo do razvoja integriranih vezij (IC), ki so temelj sodobne elektronike. Zmožnost silicija, da tvori stabilno in visokokakovostno oksidno plast (silicijev dioksid), je bila ključni dejavnik pri uspehu kovinsko-oksidno-polprevodniških (MOS) naprav, ki so gradniki večine digitalne elektronike.

Druga generacija polprevodnikov: galijev arzenid in indijev fosfid

Z razvojem tehnologije so postale očitne omejitve silicija, zlasti pri hitrih in visokofrekvenčnih aplikacijah. To je vodilo do razvoja druge generacije polprevodnikov, ki vključuje sestavljene polprevodnike, kot sta galijev arzenid (GaAs) in indijev fosfid (InP). Ti materiali so znani po svoji vrhunski mobilnosti elektronov in neposrednem pasovnem razmaku, zaradi česar so idealni za optoelektronske naprave, kot so svetleče diode (LED), laserske diode in visokofrekvenčni tranzistorji. GaAs se na primer pogosto uporablja v mikrovalovnih in milimetrskih komunikacijskih sistemih, pa tudi v satelitskih in radarskih tehnologijah. Kljub njunim prednostim je bila razširjena uporaba GaAs in InP omejena zaradi višjih stroškov in izzivov v proizvodnji.

Tretja generacija polprevodnikov:Silicijev karbidinGalijev nitrid

V zadnjih letih se je fokus preusmeril na tretjo generacijo polprevodnikov, ki vključuje materiale, kot sosilicijev karbid (SiC)ingalijev nitrid (GaN). Ti materiali imajo široko pasovno vrzel, kar pomeni, da lahko delujejo pri višjih napetostih, temperaturah in frekvencah kot njihovi predhodniki.GaN, je zlasti pritegnil veliko pozornosti zaradi svojih izjemnih lastnosti, vključno s širokim pasovnim razmakom 3,4 eV, visoko mobilnostjo elektronov, visoko prebojno napetostjo in odlično toplotno prevodnostjo. Te lastnosti naredijoGaNidealen kandidat za visokozmogljive in visokofrekvenčne aplikacije, kot so hitri polnilniki, močnostni tranzistorji in radiofrekvenčne (RF) mikrovalovne naprave.

Kristalna struktura in vezavaGaN

GaNspada v skupino III-V sestavljenih polprevodnikov, ki jih sestavljajo elementi iz skupine III (npr. galij) in skupine V (npr. dušik) periodnega sistema. Kristalna strukturaGaNlahko obstaja v dveh primarnih oblikah: heksagonalni wurtzit in kubični sfalerit. Na vrsto kristalne strukture, ki nastane, vpliva narava kemičnih vezi med atomi. V polprevodniških spojinah je vez lahko mešanica kovalentnih in ionskih vezi. Bolj kot je ionska vez, večja je verjetnost, da bo material tvoril strukturo wurtzita. V primeruGaN, velika razlika v elektronegativnosti med galijem (Ga) in dušikom (N) vodi do pomembnega ionskega značaja v vezi. Kot rezultat,GaNtipično kristalizira v strukturi wurtzita, ki je znana po visoki toplotni stabilnosti in odpornosti proti kemični koroziji.

PrednostiGaNVeč o prejšnjih polprevodniških materialih

V primerjavi s polprevodniškimi materiali prve in druge generacije,GaNponuja številne prednosti, zaradi katerih je še posebej privlačen za najsodobnejše aplikacije. Ena najpomembnejših prednosti je njegova široka pasovna vrzel, ki napravam na osnovi GaN omogoča delovanje pri višjih napetostih in temperaturah brez okvar. Zaradi tega je GaN odličen material za močnostno elektroniko, kjer sta učinkovitost in upravljanje toplote kritična. Poleg tega ima GaN nižjo dielektrično konstanto, kar pomaga zmanjšati kapacitivnost in omogoča hitrejše preklopne hitrosti v tranzistorjih.

GaNponaša se tudi z višjo kritično jakostjo električnega polja, kar omogoča napravam, da prenesejo večja električna polja, ne da bi prišlo do okvare. To je še posebej pomembno pri aplikacijah z visoko močjo, kjer je sposobnost upravljanja visokih napetosti in tokov bistvena. Poleg tega visoka mobilnost elektronov GaN prispeva k njegovi primernosti za visokofrekvenčne aplikacije, kot so RF in mikrovalovne naprave. Zaradi kombinacije teh lastnosti – visoke toplotne prevodnosti, visoke temperaturne odpornosti in trdote zaradi sevanja – je GaN vsestranski material, ki je pripravljen igrati ključno vlogo v naslednji generaciji elektronskih naprav.

GaNv sodobnih aplikacijah in prihodnjih obetih

Edinstvene lastnostiGaNso že začele revolucionirati več industrij. V potrošniški elektroniki postajajo hitri polnilniki na osnovi GaN vse bolj priljubljeni zaradi svoje učinkovitosti in kompaktne velikosti v primerjavi s tradicionalnimi polnilniki na osnovi silicija. Na področju telekomunikacij se GaN uporablja za razvoj visokofrekvenčnih tranzistorjev, ki so bistveni za omrežja 5G in širše. Vesoljski in obrambni sektor prav tako raziskujeta potencial GaN za uporabo v radarskih in komunikacijskih sistemih visoke moči, kjer je njegova sposobnost delovanja v ekstremnih pogojih neprecenljiva.