GaN Single Crystal

Pooljuhttehnoloogia on olnud kaasaegse tsivilisatsiooni selgroog, muutes põhjalikult meie elu-, töö- ja maailmaga suhtlemise viisi. See on võimaldanud enneolematuid edusamme erinevates valdkondades, sealhulgas infotehnoloogias, energeetikas, telekommunikatsioonis ja tervishoius. Alates mikroprotsessoritest, mis toidavad meie nutitelefone ja arvuteid, lõpetades meditsiiniseadmete anduritega ja taastuvenergiasüsteemide jõuelektroonikaga, on pooljuhid peaaegu kõigi möödunud sajandi tehnoloogiliste uuenduste keskmes.

Esimese põlvkonna pooljuhid: germaanium ja räni

Pooljuhttehnoloogia ajalugu sai alguse esimese põlvkonna pooljuhtidest, peamiselt germaaniumist (Ge) ja ränist (Si). Need materjalid on elementaarsed pooljuhid, mis tähendab, et need koosnevad ühest elemendist. Eelkõige on räni olnud kõige laialdasemalt kasutatav pooljuhtmaterjal tänu oma rohkusele, kulutõhususele ja suurepärastele elektroonilistele omadustele. Ränipõhine tehnoloogia on küpsenud aastakümnete jooksul, mille tulemusel on välja töötatud integraallülitused (IC-d), mis moodustavad kaasaegse elektroonika aluse. Räni võime moodustada stabiilne ja kvaliteetne oksiidikiht (ränidioksiid) on olnud metalloksiid-pooljuhtseadmete (MOS) edu kriitiliseks teguriks, mis on enamiku digitaalse elektroonika ehitusplokid.

Teise põlvkonna pooljuhid: galliumarseniid ja indiumfosfiid

Tehnoloogia arenedes ilmnesid räni piirangud, eriti kiirete ja kõrgsageduslike rakenduste puhul. See viis teise põlvkonna pooljuhtide väljatöötamiseni, mis hõlmavad liitpooljuhte nagu galliumarseniid (GaAs) ja indiumfosfiid (InP). Need materjalid on tuntud oma suurepärase elektronide liikuvuse ja otsese ribalaiuse poolest, mistõttu on need ideaalsed optoelektrooniliste seadmete jaoks, nagu valgusdioodid (LED-id), laserdioodid ja kõrgsagedustransistorid. Näiteks GaA-d kasutatakse laialdaselt mikrolaine- ja millimeeterlaine sidesüsteemides, samuti satelliit- ja radaritehnoloogiates. Vaatamata nende eelistele on GaAs ja InP laialdane kasutuselevõtt olnud piiratud kõrgemate kulude ja tootmisega seotud väljakutsete tõttu.

Kolmanda põlvkonna pooljuhid:RänikarbiidjaGalliumnitriid

Viimastel aastatel on fookus nihkunud kolmanda põlvkonna pooljuhtidele, mis hõlmavad selliseid materjale naguränikarbiid (SiC)jagalliumnitriid (GaN). Nendel materjalidel on lai ribalaius, mis tähendab, et need võivad töötada kõrgema pinge, temperatuuri ja sagedusega kui nende eelkäijad.GaN, on pälvinud märkimisväärset tähelepanu oma erakordsete omaduste, sealhulgas laia 3,4 eV ribalaiuse, suure elektronide liikuvuse, kõrge läbilöögipinge ja suurepärase soojusjuhtivuse poolest. Need omadused teevadGaNideaalne kandidaat suure võimsusega ja kõrgsageduslike rakenduste jaoks, nagu kiirlaadijad, toitetransistorid ja raadiosageduslikud (RF) mikrolaineseadmed.

Kristalli struktuur ja sidumineGaN

GaNkuulub liitpooljuhtide rühma III-V, mis koosnevad perioodilisuse tabeli III rühma (nt gallium) ja V rühma (nt lämmastik) elementidest. KristallstruktuurGaNvõib esineda kahel põhivormil: kuusnurkne wurtsiit ja kuubiline sfaleriit. Tekkiva kristallstruktuuri tüüpi mõjutab aatomitevaheliste keemiliste sidemete olemus. Pooljuhtühendites võib side olla kovalentsete ja ioonsete sidemete segu. Mida ioonilisem on side, seda tõenäolisemalt moodustab materjal wurtsiitstruktuuri. JuhulGaN, põhjustab galliumi (Ga) ja lämmastiku (N) elektronegatiivsuse suur erinevus sideme olulise ioonse iseloomuni. Selle tulemusenaGaNtavaliselt kristalliseerub wurtsiidi struktuuris, mis on tuntud oma kõrge termilise stabiilsuse ja keemilise korrosioonikindluse poolest.

EelisedGaNÜle varasemate pooljuhtmaterjalide

Võrreldes esimese ja teise põlvkonna pooljuhtmaterjalidega,GaNpakub mitmeid eeliseid, mis muudavad selle tipptasemel rakenduste jaoks eriti atraktiivseks. Üks olulisemaid eeliseid on selle lai ribalaius, mis võimaldab GaN-põhistel seadmetel töötada kõrgemal pingel ja temperatuuril, ilma et need laguneksid. See teeb GaNist suurepärase materjali jõuelektroonika jaoks, kus tõhusus ja soojusjuhtimine on kriitilise tähtsusega. Lisaks on GaN-il madalam dielektriline konstant, mis aitab vähendada mahtuvust ja võimaldab transistoride kiiremat lülituskiirust.

GaNSamuti on sellel kõrgem kriitiline elektrivälja tugevus, mis võimaldab seadmetel hakkama saada suuremate elektriväljadega ilma riketeta. See on eriti oluline suure võimsusega rakendustes, kus kõrge pinge ja voolu juhtimise võime on hädavajalik. Lisaks aitab GaN-i suur elektronide liikuvus kaasa selle sobivusele kõrgsageduslike rakenduste jaoks, nagu raadiosagedus- ja mikrolaineseadmed. Nende omaduste kombinatsioon – kõrge soojusjuhtivus, kõrge temperatuuritaluvus ja kiirguskaredus – teeb GaN-ist mitmekülgse materjali, mis on valmis mängima otsustavat rolli järgmise põlvkonna elektroonikaseadmetes.

GaNkaasaegsete rakenduste ja tulevikuväljavaadete alal

Unikaalsed omadusedGaNon juba alustanud revolutsiooni mitmetes tööstusharudes. Tarbeelektroonikas muutuvad GaN-põhised kiirlaadijad oma tõhususe ja kompaktse suuruse tõttu järjest populaarsemaks võrreldes traditsiooniliste ränipõhiste laadijatega. Telekommunikatsiooni valdkonnas kasutatakse GaN-i kõrgsageduslike transistoride väljatöötamiseks, mis on olulised 5G võrkude ja muude jaoks. Lennundus- ja kaitsesektorid uurivad ka GaN-i potentsiaali kasutada suure võimsusega radari- ja sidesüsteemides, kus selle võime töötada ekstreemsetes tingimustes on hindamatu.