GaN vienas kristalas

Puslaidininkių technologija buvo šiuolaikinės civilizacijos pagrindas, iš esmės keičiantis mūsų gyvenimo, darbo ir bendravimo su pasauliu būdus. Tai leido pasiekti precedento neturinčią pažangą įvairiose srityse, įskaitant informacines technologijas, energetiką, telekomunikacijas ir sveikatos priežiūrą. Nuo mikroprocesorių, kurie maitina mūsų išmaniuosius telefonus ir kompiuterius, iki medicinos prietaisų jutiklių ir atsinaujinančios energijos sistemų galios elektronikos, puslaidininkiai yra beveik visų praėjusio šimtmečio technologinių naujovių pagrindas.

Pirmosios kartos puslaidininkiai: germanis ir silicis

Puslaidininkių technologijos istorija prasidėjo nuo pirmosios kartos puslaidininkių, pirmiausia germanio (Ge) ir silicio (Si). Šios medžiagos yra elementiniai puslaidininkiai, tai reiškia, kad jos sudarytos iš vieno elemento. Visų pirma silicis buvo plačiausiai naudojama puslaidininkinė medžiaga dėl savo gausos, ekonomiškumo ir puikių elektroninių savybių. Silicio pagrindu pagamintos technologijos brendo dešimtmečius, todėl buvo sukurti integriniai grandynai (IC), kurie sudaro šiuolaikinės elektronikos pagrindą. Silicio gebėjimas suformuoti stabilų ir aukštos kokybės oksido sluoksnį (silicio dioksidą) buvo esminis metalo oksido ir puslaidininkių (MOS) įrenginių, kurie yra daugelio skaitmeninės elektronikos elementų, sėkmės veiksnys.

Antrosios kartos puslaidininkiai: galio arsenidas ir indžio fosfidas

Tobulėjant technologijoms, išryškėjo silicio apribojimai, ypač didelės spartos ir aukšto dažnio įrenginiuose. Dėl to buvo sukurti antrosios kartos puslaidininkiai, apimantys sudėtinius puslaidininkius, tokius kaip galio arsenidas (GaAs) ir indžio fosfidas (InP). Šios medžiagos yra žinomos dėl savo puikaus elektronų mobilumo ir tiesioginio pralaidumo, todėl puikiai tinka optoelektroniniams įrenginiams, tokiems kaip šviesos diodai (LED), lazeriniai diodai ir aukšto dažnio tranzistoriai. Pavyzdžiui, GaAs plačiai naudojamas mikrobangų ir milimetrinių bangų ryšio sistemose, taip pat palydovinėse ir radarų technologijose. Nepaisant jų pranašumų, plačiai paplitęs GaAs ir InP pritaikymas buvo ribotas dėl didesnių sąnaudų ir gamybos iššūkių.

Trečiosios kartos puslaidininkiai:Silicio karbidasirGalio nitridas

Pastaraisiais metais dėmesys buvo nukreiptas į trečiosios kartos puslaidininkius, kurie apima tokias medžiagas kaipsilicio karbidas (SiC)irgalio nitridas (GaN). Šios medžiagos turi platų pralaidumą, o tai reiškia, kad jos gali veikti esant aukštesnei įtampai, temperatūrai ir dažniams nei jų pirmtakai.GaN, ypač susilaukė didelio dėmesio dėl savo išskirtinių savybių, įskaitant platų 3,4 eV dažnių juostos tarpą, didelį elektronų mobilumą, didelę gedimo įtampą ir puikų šilumos laidumą. Šios savybės daroGaNidealus kandidatas į didelės galios ir aukšto dažnio programas, tokias kaip greitieji įkrovikliai, galios tranzistoriai ir radijo dažnio (RF) mikrobangų įrenginiai.

Kristalų struktūra ir klijavimasGaN

GaNpriklauso III-V grupei sudėtinių puslaidininkių, kuriuos sudaro periodinės lentelės III grupės (pvz., galio) ir V grupės (pvz., azoto) elementai. Kristalinė struktūraGaNgali egzistuoti dviejų pirminių formų: šešiakampio wurcito ir kubinio sfalerito. Susidarančios kristalinės struktūros tipą įtakoja cheminių ryšių tarp atomų pobūdis. Puslaidininkiniuose junginiuose jungtis gali būti kovalentinių ir joninių ryšių mišinys. Kuo joniškesnis ryšys, tuo didesnė tikimybė, kad medžiaga sudarys wurcito struktūrą. Tuo atveju, kaiGaN, didelis galio (Ga) ir azoto (N) elektronegatyvumo skirtumas lemia reikšmingą joninį ryšį. Dėl toGaNpaprastai kristalizuojasi wurtzite struktūroje, kuri yra žinoma dėl didelio šiluminio stabilumo ir atsparumo cheminei korozijai.

Privalumai išGaNAnkstesnės puslaidininkinės medžiagos

Palyginti su pirmosios ir antrosios kartos puslaidininkinėmis medžiagomis,GaNsiūlo keletą privalumų, dėl kurių jis ypač patrauklus pažangiausioms programoms. Vienas iš svarbiausių pranašumų yra platus pralaidumas, leidžiantis GaN pagrįstiems įrenginiams veikti esant aukštesnei įtampai ir temperatūrai, nesugedus. Dėl to GaN yra puiki medžiaga galios elektronikai, kur efektyvumas ir šilumos valdymas yra labai svarbūs. Be to, GaN turi mažesnę dielektrinę konstantą, kuri padeda sumažinti talpą ir įgalina didesnį tranzistorių perjungimo greitį.

GaNtaip pat gali pasigirti didesniu kritiniu elektrinio lauko stipriu, todėl įrenginiai gali valdyti didesnius elektrinius laukus nepatiriant gedimo. Tai ypač svarbu didelės galios įrenginiuose, kur būtina valdyti aukštą įtampą ir srovę. Be to, didelis GaN elektronų mobilumas prisideda prie jo tinkamumo naudoti aukšto dažnio įrenginiuose, pvz., RF ir mikrobangų įrenginiuose. Dėl šių savybių derinio – didelio šilumos laidumo, atsparumo aukštai temperatūrai ir radiacijos kietumo – GaN yra universali medžiaga, kuri gali atlikti lemiamą vaidmenį naujos kartos elektroniniuose prietaisuose.

GaNŠiuolaikinės programos ir ateities perspektyvos

Unikalios savybėsGaNjau pradėjo revoliuciją keliose pramonės šakose. Buitinėje elektronikoje GaN pagrįsti greitieji įkrovikliai tampa vis populiaresni dėl savo efektyvumo ir kompaktiško dydžio, palyginti su tradiciniais silicio pagrindo įkrovikliais. Telekomunikacijų srityje GaN naudojamas kuriant aukšto dažnio tranzistorius, būtinus 5G tinklams ir ne tik. Aviacijos ir gynybos sektoriai taip pat tiria GaN galimybes naudoti didelės galios radaruose ir ryšių sistemose, kur jo gebėjimas veikti ekstremaliomis sąlygomis yra neįkainojamas.