Монокристал GaN

Напівпровідникова технологія була основою сучасної цивілізації, докорінно змінивши спосіб життя, роботи та взаємодії зі світом. Це забезпечило безпрецедентний прогрес у різних сферах, включаючи інформаційні технології, енергетику, телекомунікації та охорону здоров’я. Від мікропроцесорів, які живлять наші смартфони та комп’ютери, до датчиків у медичних пристроях і силової електроніки в системах відновлюваної енергії, напівпровідники є основою майже всіх технологічних інновацій минулого століття.

Перше покоління напівпровідників: германій і кремній

Історія напівпровідникової техніки почалася з першого покоління напівпровідників, насамперед германію (Ge) і кремнію (Si). Ці матеріали є елементарними напівпровідниками, тобто вони складаються з одного елемента. Кремній, зокрема, був найбільш широко використовуваним напівпровідниковим матеріалом завдяки його великій кількості, економічній ефективності та чудовим електронним властивостям. Технологія на основі кремнію розвивалася протягом десятиліть, що призвело до розробки інтегральних схем (ІС), які є основою сучасної електроніки. Здатність кремнію утворювати стабільний і високоякісний оксидний шар (діоксид кремнію) була вирішальним фактором успіху металооксидно-напівпровідникових (MOS) пристроїв, які є будівельними блоками більшості цифрової електроніки.

Друге покоління напівпровідників: арсенід галію та фосфід індію

З розвитком технології обмеження кремнію стали очевидними, особливо у високошвидкісних і високочастотних програмах. Це призвело до розробки другого покоління напівпровідників, яке включає складні напівпровідники, такі як арсенід галію (GaAs) і фосфід індію (InP). Ці матеріали відомі своєю чудовою рухливістю електронів і прямою забороненою зоною, що робить їх ідеальними для оптоелектронних пристроїв, таких як світлодіоди (світлодіоди), лазерні діоди та високочастотні транзистори. GaAs, наприклад, широко використовується в мікрохвильових і міліметрових системах зв'язку, а також у супутникових і радарних технологіях. Незважаючи на їхні переваги, широке впровадження GaAs та InP було обмеженим через високі витрати та проблеми у виробництві.

Третє покоління напівпровідників:Карбід кремніюінітрид галію

В останні роки фокус змістився на третє покоління напівпровідників, яке включає такі матеріали, яккарбід кремнію (SiC)інітрид галію (GaN). Ці матеріали мають широку заборонену зону, що означає, що вони можуть працювати при вищих напругах, температурах і частотах, ніж їхні попередники.GaN, зокрема, привернув значну увагу своїми винятковими властивостями, включаючи широку заборонену зону 3,4 еВ, високу рухливість електронів, високу напругу пробою та чудову теплопровідність. Ці характеристики роблятьGaNідеальний кандидат для потужних і високочастотних додатків, таких як швидкі зарядні пристрої, силові транзистори та радіочастотні (РЧ) мікрохвильові пристрої.

Кристалічна структура та з’єднанняGaN

GaNналежить до III-V групи складних напівпровідників, які складаються з елементів III групи (наприклад, галій) і V групи (наприклад, азот) періодичної таблиці. Кристалічна структураGaNможе існувати в двох основних формах: гексагональний вюрцит і кубічний сфалерит. Тип кристалічної структури, що формується, залежить від природи хімічних зв’язків між атомами. У напівпровідникових сполуках зв’язок може бути сумішшю ковалентних та іонних зв’язків. Чим іонніший зв’язок, тим більша ймовірність утворення вюрцитної структури матеріалу. У разіGaN, велика різниця в електронегативності між галієм (Ga) і азотом (N) призводить до значного іонного характеру зв’язку. В результатіGaNзазвичай кристалізується у структурі вюрциту, яка відома своєю високою термічною стабільністю та стійкістю до хімічної корозії.

ПеревагиGaNБільш ранні напівпровідникові матеріали

У порівнянні з напівпровідниковими матеріалами першого та другого покоління,GaNпропонує ряд переваг, які роблять його особливо привабливим для передових застосувань. Однією з найважливіших переваг є його широка заборонена зона, що дозволяє пристроям на основі GaN працювати при вищих напругах і температурах без поломки. Це робить GaN чудовим матеріалом для силової електроніки, де ефективність і управління температурою є критичними проблемами. Крім того, GaN має нижчу діелектричну проникність, що допомагає зменшити ємність і збільшити швидкість перемикання транзисторів.

GaNтакож може похвалитися вищою критичною напруженістю електричного поля, що дозволяє пристроям працювати з більшими електричними полями без поломки. Це особливо важливо в системах високої потужності, де необхідна здатність керувати високими напругами та струмами. Крім того, висока рухливість електронів GaN сприяє його придатності для високочастотних застосувань, таких як радіочастотні та мікрохвильові пристрої. Поєднання цих властивостей — висока теплопровідність, стійкість до високих температур і радіаційна стійкість — робить GaN універсальним матеріалом, який готовий зіграти вирішальну роль у наступному поколінні електронних пристроїв.

GaNв сучасному застосуванні та майбутні перспективи

Унікальні властивостіGaNвже почали революцію в кількох галузях. У побутовій електроніці швидкі зарядні пристрої на основі GaN стають все більш популярними завдяки своїй ефективності та компактним розмірам порівняно з традиційними зарядними пристроями на основі кремнію. У сфері телекомунікацій GaN використовується для розробки високочастотних транзисторів, необхідних для мереж 5G і не тільки. Аерокосмічний і оборонний сектори також вивчають потенціал GaN для використання в потужних радарах і системах зв’язку, де його здатність працювати в екстремальних умовах є неоціненною.