GaN Single Crystal

Polovodičová technologie je páteří moderní civilizace a zásadně mění způsob, jakým žijeme, pracujeme a komunikujeme se světem. Umožnil bezprecedentní pokrok v různých oblastech včetně informačních technologií, energetiky, telekomunikací a zdravotnictví. Od mikroprocesorů, které napájejí naše chytré telefony a počítače, po senzory v lékařských zařízeních a výkonovou elektroniku v systémech obnovitelné energie, polovodiče jsou jádrem téměř každé technologické inovace minulého století.

První generace polovodičů: germanium a křemík

Historie polovodičové techniky začala první generací polovodičů, především germania (Ge) a křemíku (Si). Tyto materiály jsou elementární polovodiče, což znamená, že jsou složeny z jediného prvku. Zejména křemík byl nejrozšířenějším polovodičovým materiálem díky jeho hojnosti, hospodárnosti a vynikajícím elektronickým vlastnostem. Technologie na bázi křemíku dozrála v průběhu desetiletí, což vedlo k vývoji integrovaných obvodů (IC), které tvoří základ moderní elektroniky. Schopnost křemíku tvořit stabilní a vysoce kvalitní oxidovou vrstvu (oxid křemičitý) byla kritickým faktorem úspěchu zařízení typu metal-oxid-semiconductor (MOS), která jsou stavebními kameny většiny digitální elektroniky.

Druhá generace polovodičů: arsenid galia a fosfid india

Jak se technologie vyvíjela, byla zjevná omezení křemíku, zejména ve vysokorychlostních a vysokofrekvenčních aplikacích. To vedlo k vývoji druhé generace polovodičů, která zahrnuje složené polovodiče jako arsenid galia (GaAs) a fosfid india (InP). Tyto materiály jsou známé pro svou vynikající mobilitu elektronů a přímou mezeru v pásmu, díky čemuž jsou ideální pro optoelektronická zařízení, jako jsou diody vyzařující světlo (LED), laserové diody a vysokofrekvenční tranzistory. GaAs je například široce používán v mikrovlnných a milimetrových vlnových komunikačních systémech, stejně jako v satelitních a radarových technologiích. Navzdory jejich výhodám bylo rozšířené přijetí GaAs a InP omezené kvůli vyšším nákladům a problémům ve výrobě.

Třetí generace polovodičů:Karbid křemíkuaGallium nitrid

V posledních letech se pozornost přesunula na třetí generaci polovodičů, která zahrnuje materiály jakokarbid křemíku (SiC)anitrid galia (GaN). Tyto materiály mají široké pásmo, což znamená, že mohou pracovat při vyšších napětích, teplotách a frekvencích než jejich předchůdci.GaN, zejména si získal významnou pozornost pro své výjimečné vlastnosti, včetně širokého bandgapu 3,4 eV, vysoké mobility elektronů, vysokého průrazného napětí a vynikající tepelné vodivosti. Tyto vlastnosti dělajíGaNideální kandidát pro vysoce výkonné a vysokofrekvenční aplikace, jako jsou rychlé nabíječky, výkonové tranzistory a radiofrekvenční (RF) mikrovlnná zařízení.

Krystalová struktura a vazba vGaN

GaNpatří do III-V skupiny složených polovodičů, které jsou složeny z prvků ze skupiny III (např. gallium) a skupiny V (např. dusík) periodické tabulky. Krystalová strukturaGaNmůže existovat ve dvou primárních formách: hexagonální wurtzit a kubický sfalerit. Typ krystalové struktury, která se tvoří, je ovlivněn povahou chemických vazeb mezi atomy. V polovodičových sloučeninách může být vazba směsí kovalentních a iontových vazeb. Čím je vazba iontičtější, tím je pravděpodobnější, že materiál vytvoří wurtzitovou strukturu. V případěGaN, velký rozdíl v elektronegativitě mezi galliem (Ga) a dusíkem (N) vede k výraznému iontovému charakteru ve vazbě. v důsledku tohoGaNtypicky krystalizuje ve struktuře wurtzitu, která je známá svou vysokou tepelnou stabilitou a odolností vůči chemické korozi.

VýhodyGaNPřes dřívější polovodičové materiály

Ve srovnání s první a druhou generací polovodičových materiálů,GaNnabízí několik výhod, díky kterým je obzvláště atraktivní pro špičkové aplikace. Jednou z nejvýznamnějších výhod je jeho široká pásmová mezera, která umožňuje zařízením na bázi GaN pracovat při vyšším napětí a teplotách bez poškození. Díky tomu je GaN vynikajícím materiálem pro výkonovou elektroniku, kde jsou kritické požadavky na účinnost a tepelné řízení. Navíc má GaN nižší dielektrickou konstantu, což pomáhá snižovat kapacitu a umožňuje rychlejší spínání tranzistorů.

GaNtaké se může pochlubit vyšší kritickou intenzitou elektrického pole, což umožňuje zařízením zvládnout větší elektrická pole, aniž by došlo k poruše. To je zvláště důležité u aplikací s vysokým výkonem, kde je nezbytná schopnost zvládat vysoká napětí a proudy. Kromě toho vysoká mobilita elektronů GaN přispívá k jeho vhodnosti pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou RF a mikrovlnná zařízení. Kombinace těchto vlastností – vysoká tepelná vodivost, vysoká teplotní odolnost a radiační tvrdost – dělá z GaN všestranný materiál, který je připraven hrát klíčovou roli v příští generaci elektronických zařízení.

GaNv moderních aplikacích a vyhlídkách do budoucna

Jedinečné vlastnostiGaNjiž začaly znamenat revoluci v několika průmyslových odvětvích. Ve spotřební elektronice jsou rychlonabíječky na bázi GaN stále oblíbenější díky své účinnosti a kompaktní velikosti ve srovnání s tradičními nabíječkami na bázi křemíku. V oblasti telekomunikací se GaN používá k vývoji vysokofrekvenčních tranzistorů, které jsou nezbytné pro sítě 5G i mimo ně. Letecký a obranný sektor také zkoumá potenciál GaN pro použití ve vysoce výkonných radarových a komunikačních systémech, kde je jeho schopnost fungovat v extrémních podmínkách neocenitelná.