GaN Single Crystal

Puolijohdeteknologia on ollut nykyaikaisen sivilisaation selkäranka, ja se on muuttanut perinpohjaisesti tapaamme elää, työskennellä ja olla vuorovaikutuksessa maailman kanssa. Se on mahdollistanut ennennäkemättömän edistyksen eri aloilla, mukaan lukien tietotekniikka, energia, tietoliikenne ja terveydenhuolto. Älypuhelimissamme ja tietokoneissamme virtaa käyttävistä mikroprosessoreista lääketieteellisten laitteiden antureisiin ja uusiutuvan energian järjestelmien tehoelektroniikkaan puolijohteet ovat lähes kaikkien viime vuosisadan teknologisten innovaatioiden ytimessä.

Ensimmäisen sukupolven puolijohteet: germanium ja pii

Puolijohdetekniikan historia alkoi ensimmäisen sukupolven puolijohteista, pääasiassa germaniumista (Ge) ja piistä (Si). Nämä materiaalit ovat alkuainepuolijohteita, mikä tarkoittaa, että ne koostuvat yhdestä elementistä. Etenkin pii on ollut eniten käytetty puolijohdemateriaali runsauden, kustannustehokkuuden ja erinomaisten elektronisten ominaisuuksiensa vuoksi. Piipohjainen teknologia on kypsynyt vuosikymmenien ajan, mikä on johtanut integroitujen piirien (ICs) kehittämiseen, jotka muodostavat modernin elektroniikan perustan. Piin kyky muodostaa vakaa ja laadukas oksidikerros (piidioksidi) on ollut kriittinen tekijä metallioksidipuolijohdelaitteiden (MOS) menestyksessä, jotka ovat useimpien digitaalisen elektroniikan rakennuspalikoita.

Toinen puolijohteiden sukupolvi: galliumarsenidi ja indiumfosfidi

Teknologian kehittyessä piin rajoitukset tulivat ilmeisiksi erityisesti nopeissa ja suurtaajuisissa sovelluksissa. Tämä johti toisen sukupolven puolijohteiden kehittämiseen, joka sisältää yhdistepuolijohteita, kuten galliumarsenidin (GaAs) ja indiumfosfidin (InP). Nämä materiaalit tunnetaan erinomaisesta elektronien liikkuvuudestaan ​​ja suorasta kaistavälistään, mikä tekee niistä ihanteellisia optoelektronisille laitteille, kuten valodiodeille (LED), laserdiodeille ja suurtaajuustransistoreille. Esimerkiksi GaA:ta käytetään laajalti mikroaalto- ja millimetriaaltoviestintäjärjestelmissä sekä satelliitti- ja tutkatekniikoissa. Eduistaan ​​huolimatta GaAs:n ja InP:n laajaa käyttöönottoa on rajoitettu korkeampien kustannusten ja valmistuksen haasteiden vuoksi.

Kolmannen sukupolven puolijohteet:PiikarbidijaGalliumnitridi

Viime vuosina painopiste on siirtynyt kolmannen sukupolven puolijohteisiin, joka sisältää materiaaleja mmpiikarbidi (SiC)jagalliumnitridi (GaN). Näillä materiaaleilla on laaja kaistaväli, mikä tarkoittaa, että ne voivat toimia korkeammilla jännitteillä, lämpötiloilla ja taajuuksilla kuin edeltäjänsä.GaN, erityisesti, on kerännyt merkittävää huomiota sen poikkeuksellisista ominaisuuksistaan, mukaan lukien laaja 3,4 eV:n kaistanväli, korkea elektronien liikkuvuus, korkea läpilyöntijännite ja erinomainen lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet tekevätGaNihanteellinen ehdokas suuritehoisiin ja korkeataajuisiin sovelluksiin, kuten pikalaturiin, tehotransistoreihin ja radiotaajuisiin (RF) mikroaaltolaitteisiin.

Kristallirakenne ja kiinnitysGaN

GaNkuuluu yhdistelmäpuolijohteiden ryhmään III-V, jotka koostuvat jaksollisen järjestelmän ryhmän III (esim. gallium) ja ryhmän V (esim. typpi) alkuaineista. Kiteen rakenneGaNvoi esiintyä kahdessa päämuodossa: kuusikulmainen wurtsiitti ja kuutiomainen sfaleriitti. Muodostuvan kiderakenteen tyyppiin vaikuttaa atomien välisten kemiallisten sidosten luonne. Puolijohdeyhdisteissä sidos voi olla sekoitus kovalenttisia ja ionisia sidoksia. Mitä ionisempi sidos on, sitä todennäköisemmin materiaali muodostaa wurtsiittirakenteen. TapauksessaGaN, galliumin (Ga) ja typen (N) välinen suuri elektronegatiivisuuden ero johtaa merkittävään ioniseen luonteeseen sidoksessa. Seurauksena,GaNtyypillisesti kiteytyy wurtsiittirakenteessa, joka tunnetaan korkeasta lämpöstabiilisuudestaan ​​ja kemiallisen korroosionkestävyydestään.

EdutGaNYli aikaisemmat puolijohdemateriaalit

Verrattuna ensimmäisen ja toisen sukupolven puolijohdemateriaaleihin,GaNtarjoaa useita etuja, jotka tekevät siitä erityisen houkuttelevan huippuluokan sovelluksissa. Yksi merkittävimmistä eduista on sen laaja kaistaväli, jonka ansiosta GaN-pohjaiset laitteet voivat toimia korkeammilla jännitteillä ja lämpötiloissa rikkoutumatta. Tämä tekee GaN:sta erinomaisen materiaalin tehoelektroniikkaan, jossa tehokkuus ja lämmönhallinta ovat kriittisiä huolenaiheita. Lisäksi GaN:llä on pienempi dielektrisyysvakio, mikä auttaa vähentämään kapasitanssia ja mahdollistaa nopeammat kytkentänopeudet transistoreissa.

GaNSiinä on myös korkeampi kriittinen sähkökentän voimakkuus, mikä mahdollistaa laitteiden käsittelevän suurempia sähkökenttiä ilman, että ne kokevat vikaa. Tämä on erityisen tärkeää suuritehoisissa sovelluksissa, joissa kyky hallita suuria jännitteitä ja virtoja on välttämätöntä. Lisäksi GaN:n suuri elektronien liikkuvuus edistää sen soveltuvuutta korkeataajuisiin sovelluksiin, kuten RF- ja mikroaaltouunilaitteisiin. Näiden ominaisuuksien – korkean lämmönjohtavuuden, korkean lämpötilan kestävyyden ja säteilykovuuden – yhdistelmä tekee GaN:sta monipuolisen materiaalin, joka on valmis olemaan ratkaisevassa roolissa seuraavan sukupolven elektronisissa laitteissa.

GaNmoderneissa sovelluksissa ja tulevaisuudennäkymissä

Ainutlaatuiset ominaisuudetGaNovat jo alkaneet mullistaa useita toimialoja. Kulutuselektroniikassa GaN-pohjaiset pikalaturit ovat tulossa yhä suositumpia tehokkuutensa ja kompaktinsa ansiosta perinteisiin piipohjaisiin laturiin verrattuna. Televiestinnän alalla GaN:ää käytetään korkeataajuisten transistoreiden kehittämiseen, jotka ovat välttämättömiä 5G-verkoille ja muillekin. Ilmailu- ja puolustusalat tutkivat myös GaN:n mahdollisuuksia käyttää suuritehoisissa tutka- ja viestintäjärjestelmissä, joissa sen kyky toimia äärimmäisissä olosuhteissa on korvaamaton.