GaN Single Crystal

Tehnologia semiconductoarelor a fost coloana vertebrală a civilizației moderne, transformând fundamental modul în care trăim, lucrăm și interacționăm cu lumea. Acesta a permis progrese fără precedent în diverse domenii, inclusiv tehnologia informației, energie, telecomunicații și asistență medicală. De la microprocesoarele care alimentează smartphone-urile și computerele noastre, până la senzorii din dispozitivele medicale și electronicele de putere din sistemele de energie regenerabilă, semiconductorii se află în centrul aproape tuturor inovațiilor tehnologice din ultimul secol.

Prima generație de semiconductori: germaniu și siliciu

Istoria tehnologiei semiconductoarelor a început cu prima generație de semiconductori, în primul rând germaniu (Ge) și siliciu (Si). Aceste materiale sunt semiconductoare elementare, adică sunt compuse dintr-un singur element. Siliciul, în special, a fost cel mai utilizat material semiconductor datorită abundenței sale, rentabilității și proprietăților electronice excelente. Tehnologia bazată pe siliciu s-a maturizat de-a lungul deceniilor, ducând la dezvoltarea circuitelor integrate (CI) care formează baza electronicii moderne. Capacitatea siliciului de a forma un strat de oxid stabil și de înaltă calitate (dioxid de siliciu) a fost un factor critic în succesul dispozitivelor cu semiconductor de oxid de metal (MOS), care sunt elementele de bază ale majorității electronicelor digitale.

A doua generație de semiconductori: arseniură de galiu și fosfură de indiu

Pe măsură ce tehnologia a evoluat, limitările siliciului au devenit evidente, în special în aplicațiile de mare viteză și de înaltă frecvență. Acest lucru a condus la dezvoltarea celei de-a doua generații de semiconductori, care include semiconductori compuși precum arseniura de galiu (GaAs) și fosfura de indiu (InP). Aceste materiale sunt cunoscute pentru mobilitatea lor superioară a electronilor și banda interzisă directă, făcându-le ideale pentru dispozitive optoelectronice, cum ar fi diode emițătoare de lumină (LED-uri), diode laser și tranzistoare de înaltă frecvență. GaAs, de exemplu, este utilizat pe scară largă în sistemele de comunicații cu microunde și unde milimetrice, precum și în tehnologiile prin satelit și radar. În ciuda avantajelor lor, adoptarea pe scară largă a GaAs și InP a fost limitată din cauza costurilor mai mari și provocărilor în producție.

A treia generație de semiconductori:Carbură de siliciuşiNitrură de galiu

În ultimii ani, accentul s-a mutat pe a treia generație de semiconductori, care include materiale precumcarbură de siliciu (SiC)şinitrură de galiu (GaN). Aceste materiale au o bandgap mare, ceea ce înseamnă că pot funcționa la tensiuni, temperaturi și frecvențe mai mari decât predecesorii lor.GaN, în special, a atras o atenție semnificativă pentru proprietățile sale excepționale, inclusiv un bandgap mare de 3,4 eV, mobilitate mare a electronilor, tensiune mare de rupere și conductivitate termică excelentă. Aceste caracteristici facGaNun candidat ideal pentru aplicații de mare putere și de înaltă frecvență, cum ar fi încărcătoare rapide, tranzistori de putere și dispozitive cu microunde cu radiofrecvență (RF).

Structura cristalină și lipirea înGaN

GaNaparține grupului III-V de semiconductori compuși, care sunt compuse din elemente din grupa III (de exemplu, galiu) și grupa V (de exemplu, azot) din tabelul periodic. Structura cristalină aGaNpoate exista sub doua forme primare: wurtzita hexagonala si sfalerita cubica. Tipul de structură cristalină care se formează este influențat de natura legăturilor chimice dintre atomi. În compușii semiconductori, legătura poate fi un amestec de legături covalente și ionice. Cu cât legătura este mai ionică, cu atât este mai probabil ca materialul să formeze o structură de wurtzită. În cazul în careGaN, diferența mare de electronegativitate dintre galiu (Ga) și azot (N) duce la un caracter ionic semnificativ în legătură. Ca urmare,GaNde obicei, cristalizează în structura wurtzită, care este cunoscută pentru stabilitatea sa termică ridicată și rezistența la coroziune chimică.

AvantajeleGaNPeste materialele semiconductoare anterioare

În comparație cu materialele semiconductoare de prima și a doua generație,GaNoferă mai multe avantaje care îl fac deosebit de atractiv pentru aplicații de ultimă oră. Unul dintre cele mai semnificative beneficii este bandgap-ul său mare, permițând dispozitivelor bazate pe GaN să funcționeze la tensiuni și temperaturi mai mari fără a se defecta. Acest lucru face din GaN un material excelent pentru electronica de putere, unde eficiența și managementul termic sunt preocupări critice. În plus, GaN are o constantă dielectrică mai mică, ajutând la reducerea capacității și permite viteze mai mari de comutare în tranzistoare.

GaNse mândrește, de asemenea, cu o intensitate mai mare a câmpului electric critic, permițând dispozitivelor să gestioneze câmpuri electrice mai mari fără a suferi o defecțiune. Acest lucru este deosebit de important în aplicațiile de mare putere, unde abilitatea de a gestiona tensiuni și curenți înalți este esențială. În plus, mobilitatea ridicată a electronilor GaN contribuie la adecvarea sa pentru aplicații de înaltă frecvență, cum ar fi dispozitivele RF și cu microunde. Combinația acestor proprietăți - conductivitate termică ridicată, rezistență la temperaturi ridicate și duritate la radiații - face din GaN un material versatil care este gata să joace un rol crucial în următoarea generație de dispozitive electronice.

GaNîn aplicații moderne și perspective de viitor

Proprietățile unice aleGaNau început deja să revoluționeze mai multe industrii. În electronicele de larg consum, încărcătoarele rapide pe bază de GaN devin din ce în ce mai populare datorită eficienței și dimensiunii lor compacte în comparație cu încărcătoarele tradiționale pe bază de siliciu. În domeniul telecomunicațiilor, GaN este folosit pentru a dezvolta tranzistori de înaltă frecvență care sunt esențiale pentru rețelele 5G și nu numai. Sectoarele aerospațiale și de apărare explorează, de asemenea, potențialul GaN de utilizare în radare și sisteme de comunicații de mare putere, unde capacitatea sa de a opera în condiții extreme este de neprețuit.