Sissejuhatus kolmanda põlvkonna pooljuhtide GaN-i ja sellega seotud epitaksiaaltehnoloogiasse

1. Kolmanda põlvkonna pooljuhid

Esimese põlvkonna pooljuhttehnoloogia töötati välja pooljuhtmaterjalide, näiteks räni ja geomeetria, põhjal. See on transistoride ja integraallülituste tehnoloogia arendamise materiaalne alus. Esimese põlvkonna pooljuhtmaterjalid panid aluse elektroonikatööstusele 20. sajandil ja on integraallülituste tehnoloogia põhimaterjalid.

Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalide hulka kuuluvad peamiselt galliumarseniidi, indiumfosfiidi, galliumfosfiidi, indiumarseniidi, alumiiniumarseniidi ja nende kolmekomponentsed ühendid. Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid on optoelektroonilise infotööstuse alus. Selle põhjal on välja töötatud seotud tööstusharud, nagu valgustus, ekraanid, laserid ja fotogalvaanika. Neid kasutatakse laialdaselt tänapäevases infotehnoloogia ja optoelektroonilise kuvari tööstuses.

Kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide tüüpilisteks materjalideks on galliumnitriid ja ränikarbiid. Tänu laiale keelutsoonile, suurele elektronide küllastuskiirusele, kõrgele soojusjuhtivusele ja suurele läbilöögivälja tugevusele on need ideaalsed materjalid suure võimsustihedusega, kõrgsageduslike ja väikese kadudega elektroonikaseadmete valmistamiseks. Nende hulgas on ränikarbiidist jõuseadmetel eelised kõrge energiatihedus, madal energiatarve ja väike suurus ning neil on laialdased rakendusvõimalused uutes energiasõidukites, fotogalvaanikas, raudteetranspordis, suurandmetes ja muudes valdkondades. Galliumnitriidist raadiosagedusseadmetel on eelised kõrge sageduse, suure võimsuse, laia ribalaiuse, väikese energiatarbimise ja väikese suuruse osas ning neil on laialdased rakendusvõimalused 5G-kommunikatsioonis, asjade internetis, sõjaväe radarites ja muudes valdkondades. Lisaks on galliumnitriidil põhinevaid jõuseadmeid laialdaselt kasutatud madalpinge valdkonnas. Lisaks eeldatakse, et viimastel aastatel moodustavad uued galliumoksiidi materjalid tehnilise täienduse olemasolevatele SiC ja GaN tehnoloogiatele ning neil on potentsiaalsed rakendusvõimalused madalsageduslikes ja kõrgepinge valdkondades.

Võrreldes teise põlvkonna pooljuhtmaterjalidega on kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalidel laiem keelutsoon (esimese põlvkonna pooljuhtmaterjali tüüpilise materjali Si keelutsoon on umbes 1,1 eV, teise põlvkonna pooljuhtmaterjali tüüpilise materjali GaAs keelutsoon on umbes 1,42 eV ja kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjali tüüpilise materjali GaN keelutsoon on üle 2,3 eV), tugevam kiirguskindlus, tugevam vastupidavus elektrivälja läbilöögile ja kõrgem temperatuurikindlus. Laiema keelutsoonega kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid sobivad eriti hästi kiirguskindlate, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja suure integreerimistihedusega elektroonikaseadmete tootmiseks. Nende rakendused mikrolaine-raadiosageduslikes seadmetes, LED-ides, laserites, jõuseadmetes ja muudes valdkondades on pälvinud palju tähelepanu ning neil on laialdased arenguväljavaated mobiilsides, nutivõrkudes, raudteetranspordis, uute energiaallikate sõidukites, tarbeelektroonikas ning ultraviolett- ja sinakasrohelise valgusega seadmetes [1].