Монокристалл GaN

Полупроводниковые технологии стали основой современной цивилизации, фундаментально изменив то, как мы живем, работаем и взаимодействуем с миром. Это позволило добиться беспрецедентных достижений в различных областях, включая информационные технологии, энергетику, телекоммуникации и здравоохранение. От микропроцессоров, которые питают наши смартфоны и компьютеры, до датчиков в медицинских устройствах и силовой электроники в системах возобновляемой энергии, полупроводники лежат в основе почти всех технологических инноваций прошлого столетия.

Первое поколение полупроводников: германий и кремний

История полупроводниковой техники началась с первого поколения полупроводников, прежде всего германия (Ge) и кремния (Si). Эти материалы являются элементарными полупроводниками, то есть состоят из одного элемента. В частности, кремний был наиболее широко используемым полупроводниковым материалом из-за его распространенности, экономической эффективности и превосходных электронных свойств. Технология на основе кремния развивалась на протяжении десятилетий, что привело к разработке интегральных схем (ИС), которые составляют основу современной электроники. Способность кремния образовывать стабильный и высококачественный оксидный слой (диоксид кремния) стала решающим фактором успеха устройств металл-оксид-полупроводник (МОП), которые являются строительными блоками большей части цифровой электроники.

Второе поколение полупроводников: арсенид галлия и фосфид индия

По мере развития технологий ограничения кремния стали очевидны, особенно в высокоскоростных и высокочастотных приложениях. Это привело к разработке второго поколения полупроводников, включающего сложные полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP). Эти материалы известны своей превосходной подвижностью электронов и прямой запрещенной зоной, что делает их идеальными для оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды (СИД), лазерные диоды и высокочастотные транзисторы. Например, GaAs широко используется в системах связи микроволнового и миллиметрового диапазона, а также в спутниковых и радиолокационных технологиях. Несмотря на их преимущества, широкое распространение GaAs и InP было ограничено из-за более высоких затрат и проблем в производстве.

Третье поколение полупроводников:Карбид кремнияиНитрид галлия

В последние годы акцент сместился на третье поколение полупроводников, которое включает в себя такие материалы, каккарбид кремния (SiC)инитрид галлия (GaN). Эти материалы обладают широкой запрещенной зоной, что означает, что они могут работать при более высоких напряжениях, температурах и частотах, чем их предшественники.ГаН, в частности, привлек значительное внимание своими исключительными свойствами, включая широкую запрещенную зону 3,4 эВ, высокую подвижность электронов, высокое напряжение пробоя и отличную теплопроводность. Эти характеристики делаютГаНидеальный кандидат для мощных и высокочастотных приложений, таких как быстрые зарядные устройства, силовые транзисторы и радиочастотные (РЧ) микроволновые устройства.

Кристаллическая структура и связь вГаН

ГаНотносится к III-V группе сложных полупроводников, в состав которых входят элементы III группы (например, галлий) и V группы (например, азот) таблицы Менделеева. Кристаллическая структураГаНможет существовать в двух основных формах: гексагональном вюрците и кубическом сфалерите. На тип образующейся кристаллической структуры влияет характер химических связей между атомами. В полупроводниковых соединениях связь может представлять собой смесь ковалентных и ионных связей. Чем более ионная связь, тем больше вероятность того, что материал образует структуру вюрцита. В случаеГаНБольшая разница в электроотрицательности галлия (Ga) и азота (N) приводит к значительному ионному характеру связи. Как результат,ГаНобычно кристаллизуется в структуре вюрцита, которая известна своей высокой термической стабильностью и устойчивостью к химической коррозии.

ПреимуществаГаНПо сравнению с более ранними полупроводниковыми материалами

По сравнению с полупроводниковыми материалами первого и второго поколения,ГаНпредлагает ряд преимуществ, которые делают его особенно привлекательным для передовых приложений. Одним из наиболее значительных преимуществ является широкая запрещенная зона, позволяющая устройствам на основе GaN работать при более высоких напряжениях и температурах без выхода из строя. Это делает GaN отличным материалом для силовой электроники, где эффективность и управление температурным режимом имеют решающее значение. Кроме того, GaN имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, что помогает уменьшить емкость и обеспечить более высокую скорость переключения транзисторов.

ГаНтакже может похвастаться более высокой критической напряженностью электрического поля, что позволяет устройствам работать с более сильными электрическими полями без поломок. Это особенно важно в приложениях с высокой мощностью, где важна способность управлять высокими напряжениями и токами. Кроме того, высокая подвижность электронов GaN способствует его пригодности для высокочастотных применений, таких как радиочастотные и микроволновые устройства. Сочетание этих свойств — высокой теплопроводности, высокой термостойкости и радиационной стойкости — делает GaN универсальным материалом, который может сыграть решающую роль в электронных устройствах следующего поколения.

ГаНв современных приложениях и перспективах на будущее

Уникальные свойстваГаНуже начали революционизировать несколько отраслей. В бытовой электронике устройства быстрой зарядки на основе GaN становятся все более популярными благодаря своей эффективности и компактным размерам по сравнению с традиционными зарядными устройствами на основе кремния. В сфере телекоммуникаций GaN используется для разработки высокочастотных транзисторов, которые необходимы для сетей 5G и не только. Аэрокосмический и оборонный секторы также изучают потенциал GaN для использования в мощных радарах и системах связи, где его способность работать в экстремальных условиях неоценима.