Einführung in die dritte Generation des Halbleiters GaN und die damit verbundene Epitaxietechnologie

1. Halbleiter der dritten Generation

Die Halbleitertechnologie der ersten Generation wurde auf Basis von Halbleitermaterialien wie Si und Ge entwickelt. Sie bildet die Grundlage für die Entwicklung von Transistoren und integrierter Schaltungstechnik. Die Halbleitermaterialien der ersten Generation legten den Grundstein für die Elektronikindustrie des 20. Jahrhunderts und sind die Basismaterialien für die integrierte Schaltungstechnik.

Zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation zählen hauptsächlich Galliumarsenid, Indiumphosphid, Aluminiumarsenid und deren ternäre Verbindungen. Sie bilden die Grundlage der optoelektronischen Informationsindustrie. Auf dieser Grundlage entwickelten sich verwandte Branchen wie Beleuchtung, Display, Laser und Photovoltaik. Sie finden breite Anwendung in der modernen Informationstechnologie und der optoelektronischen Displayindustrie.

Zu den repräsentativen Materialien der dritten Generation von Halbleitern zählen Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Dank ihrer großen Bandlücke, der hohen Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Durchbruchfeldstärke eignen sie sich ideal für die Herstellung von elektronischen Bauelementen mit hoher Leistungsdichte, hoher Frequenz und geringen Verlusten. Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente zeichnen sich durch hohe Energiedichte, geringen Energieverbrauch und geringe Größe aus und bieten breite Anwendungsaussichten in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben, der Photovoltaik, dem Schienenverkehr, Big Data und weiteren Bereichen. Galliumnitrid-HF-Bauelemente zeichnen sich durch hohe Frequenz, hohe Leistung, große Bandbreite, geringen Stromverbrauch und geringe Größe aus und bieten breite Anwendungsaussichten in der 5G-Kommunikation, im Internet der Dinge, in der militärischen Radartechnik und weiteren Bereichen. Darüber hinaus finden Galliumnitrid-basierte Leistungsbauelemente breite Anwendung im Niederspannungsbereich. Darüber hinaus wird erwartet, dass in den letzten Jahren neu entwickelte Galliumoxid-Materialien die bestehenden SiC- und GaN-Technologien technisch ergänzen und potenzielle Anwendungsaussichten im Niederfrequenz- und Hochspannungsbereich bieten.

Im Vergleich zu Halbleitermaterialien der zweiten Generation weisen Halbleitermaterialien der dritten Generation eine größere Bandlücke auf (die Bandlücke von Si, einem typischen Material der ersten Generation, beträgt etwa 1,1 eV, die von GaAs, einem typischen Material der zweiten Generation, beträgt etwa 1,42 eV und die von GaN, einem typischen Material der dritten Generation, liegt über 2,3 eV), sind strahlungsbeständiger, felddurchschlagsicherer und temperaturbeständiger. Halbleitermaterialien der dritten Generation mit größerer Bandlücke eignen sich besonders für die Herstellung strahlungsbeständiger, hochfrequenter, leistungsstarker und hochintegrierter elektronischer Geräte. Ihre Anwendung in Mikrowellen-Hochfrequenzgeräten, LEDs, Lasern, Leistungsbauelementen und anderen Bereichen hat große Aufmerksamkeit erregt und bietet breite Entwicklungsperspektiven in den Bereichen Mobilkommunikation, intelligente Stromnetze, Schienenverkehr, Fahrzeuge mit alternativer Energie, Unterhaltungselektronik sowie UV- und blaugrüne Lichtquellen [1].