GaN Single Crystal

A félvezető-technológia a modern civilizáció gerincét képezi, alapvetően átalakítva életünket, munkánkat és a világgal való kölcsönhatásunkat. Példátlan előrelépéseket tett lehetővé különböző területeken, beleértve az információs technológiát, az energiát, a távközlést és az egészségügyet. Az okostelefonjainkat és számítógépeinket tápláló mikroprocesszoroktól az orvosi eszközök érzékelőiig és a megújuló energiarendszerek teljesítményelektronikáig a félvezetők az elmúlt évszázad szinte minden technológiai innovációjának középpontjában állnak.

A félvezetők első generációja: germánium és szilícium

A félvezető technológia története a félvezetők első generációjával kezdődött, elsősorban germániummal (Ge) és szilíciummal (Si). Ezek az anyagok elemi félvezetők, vagyis egyetlen elemből állnak. Különösen a szilícium volt a legszélesebb körben használt félvezető anyag bősége, költséghatékonysága és kiváló elektronikai tulajdonságai miatt. A szilícium alapú technológia évtizedek óta fejlődött, és a modern elektronika alapját képező integrált áramkörök (IC-k) kifejlesztéséhez vezetett. A szilícium stabil és jó minőségű oxidréteget (szilícium-dioxidot) képező képessége kritikus tényező volt a fém-oxid-félvezető (MOS) eszközök sikerében, amelyek a legtöbb digitális elektronika építőkövei.

A félvezetők második generációja: gallium-arzenid és indium-foszfid

A technológia fejlődésével a szilícium korlátai nyilvánvalóvá váltak, különösen a nagy sebességű és nagyfrekvenciás alkalmazásokban. Ez a félvezetők második generációjának kifejlesztéséhez vezetett, amely olyan összetett félvezetőket tartalmaz, mint a gallium-arzenid (GaAs) és az indium-foszfid (InP). Ezek az anyagok kiváló elektronmobilitásukról és közvetlen sávszélességükről ismertek, így ideálisak optoelektronikai eszközökhöz, például fénykibocsátó diódákhoz (LED), lézerdiódákhoz és nagyfrekvenciás tranzisztorokhoz. A GaAs-t például széles körben használják mikrohullámú és milliméterhullámú kommunikációs rendszerekben, valamint műholdas és radartechnológiákban. Előnyeik ellenére a GaAs és az InP széles körű elterjedése korlátozott volt a magasabb költségek és a gyártási kihívások miatt.

A félvezetők harmadik generációja:Szilícium-karbidésgallium-nitrid

Az elmúlt években a hangsúly a félvezetők harmadik generációjára helyeződött át, amely olyan anyagokat tartalmaz, mint plszilícium-karbid (SiC)ésgallium-nitrid (GaN). Ezek az anyagok széles sávszélességgel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy magasabb feszültségen, hőmérsékleten és frekvencián működnek, mint elődeik.GaN, különösen a kivételes tulajdonságai miatt kapott jelentős figyelmet, beleértve a széles, 3,4 eV-os sávszélességet, a nagy elektronmobilitást, a nagy áttörési feszültséget és a kiváló hővezető képességet. Ezek a tulajdonságok teszikGaNideális jelölt nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, például gyorstöltőkhöz, teljesítménytranzisztorokhoz és rádiófrekvenciás (RF) mikrohullámú készülékekhez.

Kristályszerkezet és ragasztásGaN

GaNaz összetett félvezetők III-V csoportjába tartozik, amelyek a periódusos rendszer III. csoportjába (pl. gallium) és V. csoportjába (pl. nitrogén) tartozó elemekből állnak. A kristályszerkezeteGaNkét elsődleges formában létezhet: hatszögletű wurtzit és köbös szfalerit. A kialakuló kristályszerkezet típusát az atomok közötti kémiai kötések természete befolyásolja. A félvezető vegyületekben a kötés kovalens és ionos kötések keveréke lehet. Minél ionosabb a kötés, annál valószínűbb, hogy az anyag wurtzit szerkezetet hoz létre. Abban az esetben, haGaN, a gallium (Ga) és a nitrogén (N) elektronegativitásának nagy különbsége jelentős ionos karaktert eredményez a kötésben. Ennek eredményekéntGaNjellemzően a wurtzit szerkezetében kristályosodik ki, amely magas hőstabilitásáról és kémiai korrózióval szembeni ellenállásáról ismert.

ElőnyeiGaNTöbb mint korábbi félvezető anyagok

Az első és második generációs félvezető anyagokhoz képestGaNszámos előnyt kínál, amelyek különösen vonzóvá teszik a legmodernebb alkalmazásokhoz. Az egyik legjelentősebb előny a széles sávszélesség, amely lehetővé teszi, hogy a GaN-alapú eszközök nagyobb feszültségen és hőmérsékleten működjenek anélkül, hogy meghibásodnának. Ez teszi a GaN-t kiváló anyaggá a teljesítményelektronikában, ahol a hatékonyság és a hőkezelés kritikus szempont. Ezenkívül a GaN alacsonyabb dielektromos állandóval rendelkezik, ami segít csökkenteni a kapacitást és gyorsabb kapcsolási sebességet tesz lehetővé a tranzisztorokban.

GaNmagasabb kritikus elektromos térerősséggel is büszkélkedhet, amely lehetővé teszi az eszközök számára, hogy nagyobb elektromos mezőket kezeljenek anélkül, hogy meghibásodást tapasztalnának. Ez különösen fontos a nagy teljesítményű alkalmazásokban, ahol elengedhetetlen a nagy feszültségek és áramok kezelésének képessége. Ezenkívül a GaN nagy elektronmobilitása hozzájárul a nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, mint például az RF és mikrohullámú eszközökhöz. Ezeknek a tulajdonságoknak a kombinációja – a magas hővezető képesség, a magas hőmérséklet-állóság és a sugárzási keménység – a GaN-t sokoldalú anyaggá teszi, amely döntő szerepet játszik az elektronikus eszközök következő generációjában.

GaNa Modern alkalmazások és a jövő kilátásaiban

Az egyedülálló tulajdonságaiGaNmár elkezdték forradalmasítani több iparágat. A szórakoztató elektronikában a GaN alapú gyorstöltők a hagyományos szilícium alapú töltőkhöz képest hatékonyságuk és kompakt méretük miatt egyre népszerűbbek. A távközlés területén a GaN-t nagyfrekvenciás tranzisztorok fejlesztésére használják, amelyek nélkülözhetetlenek az 5G hálózatokhoz és azon túl is. A repülési és védelmi szektor is vizsgálja a GaN nagy teljesítményű radar- és kommunikációs rendszerekben való felhasználási lehetőségeit, ahol felbecsülhetetlen az extrém körülmények közötti működési képessége.