GaN монокристал

Полупроводниковата технология е гръбнакът на съвременната цивилизация, трансформирайки фундаментално начина, по който живеем, работим и взаимодействаме със света. Той даде възможност за безпрецедентен напредък в различни области, включително информационни технологии, енергетика, телекомуникации и здравеопазване. От микропроцесорите, които захранват нашите смартфони и компютри, до сензорите в медицинските устройства и силовата електроника в системите за възобновяема енергия, полупроводниците са в основата на почти всяка технологична иновация от миналия век.

Първо поколение полупроводници: германий и силиций

Историята на полупроводниковата технология започва с първото поколение полупроводници, предимно германий (Ge) и силиций (Si). Тези материали са елементарни полупроводници, което означава, че са съставени от един елемент. Силицият, по-специално, е най-широко използваният полупроводников материал поради своето изобилие, рентабилност и отлични електронни свойства. Базираната на силиций технология се развива в продължение на десетилетия, което води до разработването на интегрални схеми (IC), които формират основата на съвременната електроника. Способността на силиция да образува стабилен и висококачествен оксиден слой (силициев диоксид) е критичен фактор за успеха на устройствата метал-оксид-полупроводник (MOS), които са градивните елементи на повечето цифрови електроники.

Второ поколение полупроводници: галиев арсенид и индиев фосфид

С развитието на технологията ограниченията на силиция станаха очевидни, особено при високоскоростни и високочестотни приложения. Това доведе до разработването на второ поколение полупроводници, което включва съставни полупроводници като галиев арсенид (GaAs) и индиев фосфид (InP). Тези материали са известни със своята превъзходна подвижност на електрони и директна ширина на лентата, което ги прави идеални за оптоелектронни устройства като светодиоди (LED), лазерни диоди и високочестотни транзистори. GaAs, например, се използва широко в микровълнови и милиметрови комуникационни системи, както и в сателитни и радарни технологии. Въпреки техните предимства, широкото приемане на GaAs и InP е ограничено поради по-високите разходи и предизвикателствата в производството.

Трето поколение полупроводници:Силициев карбидиГалиев нитрид

През последните години фокусът се измести към третото поколение полупроводници, което включва материали катосилициев карбид (SiC)игалиев нитрид (GaN). Тези материали притежават широка ширина на лентата, което означава, че могат да работят при по-високи напрежения, температури и честоти от своите предшественици.GaN, по-специално, привлече значително внимание заради изключителните си свойства, включително широка ширина на лентата от 3,4 eV, висока подвижност на електрони, високо напрежение на пробив и отлична топлопроводимост. Тези характеристики правятGaNидеален кандидат за приложения с висока мощност и висока честота, като бързи зарядни устройства, мощни транзистори и радиочестотни (RF) микровълнови устройства.

Кристална структура и свързванеGaN

GaNпринадлежи към групата III-V на съставни полупроводници, които са съставени от елементи от група III (напр. галий) и група V (напр. азот) на периодичната таблица. Кристалната структура наGaNможе да съществува в две основни форми: хексагонален вюрцит и кубичен сфалерит. Видът на образуваната кристална структура се влияе от естеството на химичните връзки между атомите. В полупроводниковите съединения свързването може да бъде смес от ковалентни и йонни връзки. Колкото по-йонна е връзката, толкова по-вероятно е материалът да образува вюрцитна структура. В случай наGaNголямата разлика в електроотрицателността между галий (Ga) и азот (N) води до значителен йонен характер на връзката. В резултат на товаGaNобикновено кристализира в структурата на вюрцита, която е известна със своята висока термична стабилност и устойчивост на химическа корозия.

Предимства наGaNНад по-ранни полупроводникови материали

В сравнение с първо и второ поколение полупроводникови материали,GaNпредлага няколко предимства, които го правят особено привлекателен за авангардни приложения. Едно от най-значимите предимства е неговата широка ширина на лентата, позволяваща на устройствата, базирани на GaN, да работят при по-високи напрежения и температури, без да се повредят. Това прави GaN отличен материал за силова електроника, където ефективността и термичното управление са критични проблеми. Освен това GaN има по-ниска диелектрична константа, което спомага за намаляване на капацитета и позволява по-бързи скорости на превключване в транзисторите.

GaNсъщо така може да се похвали с по-висока критична сила на електрическото поле, което позволява на устройствата да се справят с по-големи електрически полета, без да претърпят повреда. Това е особено важно при приложения с висока мощност, където способността за управление на високи напрежения и токове е от съществено значение. Освен това високата подвижност на електрони на GaN допринася за неговата пригодност за високочестотни приложения, като RF и микровълнови устройства. Комбинацията от тези свойства - висока топлопроводимост, устойчивост на висока температура и устойчивост на радиация - прави GaN универсален материал, който е готов да играе решаваща роля в следващото поколение електронни устройства.

GaNв модерни приложения и бъдещи перспективи

Уникалните свойства наGaNвече започнаха да революционизират няколко индустрии. В потребителската електроника базираните на GaN бързи зарядни устройства стават все по-популярни поради тяхната ефективност и компактен размер в сравнение с традиционните зарядни устройства на базата на силиций. В областта на телекомуникациите GaN се използва за разработване на високочестотни транзистори, които са от съществено значение за 5G мрежите и извън тях. Аерокосмическият и отбранителният сектор също проучват потенциала на GaN за използване в радарни и комуникационни системи с висока мощност, където способността му да работи при екстремни условия е безценна.