Introduzione al GaN, semiconduttore di terza generazione, e alla relativa tecnologia epitassiale.

1. Semiconduttori di terza generazione

La tecnologia dei semiconduttori di prima generazione si è sviluppata sulla base di materiali semiconduttori come il silicio (Si) e il germanio (Ge). Essa costituisce la base materiale per lo sviluppo dei transistor e della tecnologia dei circuiti integrati. I materiali semiconduttori di prima generazione hanno gettato le basi per l'industria elettronica del XX secolo e sono i materiali fondamentali per la tecnologia dei circuiti integrati.

I materiali semiconduttori di seconda generazione comprendono principalmente arseniuro di gallio, fosfuro di indio, fosfuro di gallio, arseniuro di indio, arseniuro di alluminio e i loro composti ternari. I materiali semiconduttori di seconda generazione sono alla base dell'industria optoelettronica dell'informazione. Su questa base si sono sviluppate industrie correlate come l'illuminazione, i display, i laser e il fotovoltaico. Sono ampiamente utilizzati nelle moderne tecnologie dell'informazione e nell'industria dei display optoelettronici.

Tra i materiali rappresentativi dei semiconduttori di terza generazione si annoverano il nitruro di gallio e il carburo di silicio. Grazie alla loro ampia banda proibita, all'elevata velocità di deriva di saturazione degli elettroni, all'elevata conduttività termica e all'elevata rigidità dielettrica, sono materiali ideali per la realizzazione di dispositivi elettronici ad alta densità di potenza, alta frequenza e basse perdite. In particolare, i dispositivi di potenza in carburo di silicio presentano i vantaggi di un'elevata densità di energia, un basso consumo energetico e dimensioni ridotte, e godono di ampie prospettive di applicazione in settori quali veicoli a energia alternativa, fotovoltaico, trasporto ferroviario, big data e altri ancora. I dispositivi RF in nitruro di gallio, invece, offrono i vantaggi di alta frequenza, elevata potenza, ampia larghezza di banda, basso consumo energetico e dimensioni ridotte, con ampie prospettive di applicazione nelle comunicazioni 5G, nell'Internet delle cose, nei radar militari e in altri ambiti. Inoltre, i dispositivi di potenza basati sul nitruro di gallio sono ampiamente utilizzati nel settore della bassa tensione. Infine, negli ultimi anni, si prevede che i materiali emergenti a base di ossido di gallio formeranno una complementarietà tecnologica con le tecnologie esistenti in SiC e GaN, aprendo la strada a potenziali applicazioni nei settori della bassa e alta tensione.

Rispetto ai materiali semiconduttori di seconda generazione, quelli di terza generazione presentano una maggiore ampiezza di banda proibita (l'ampiezza di banda proibita del Si, un materiale tipico dei semiconduttori di prima generazione, è di circa 1,1 eV, quella del GaAs, un materiale tipico dei semiconduttori di seconda generazione, è di circa 1,42 eV e quella del GaN, un materiale tipico dei semiconduttori di terza generazione, è superiore a 2,3 eV), una maggiore resistenza alle radiazioni, una maggiore resistenza alla rottura dielettrica e una maggiore resistenza alle alte temperature. I materiali semiconduttori di terza generazione con un'ampiezza di banda proibita maggiore sono particolarmente adatti alla produzione di dispositivi elettronici resistenti alle radiazioni, ad alta frequenza, ad alta potenza e ad alta densità di integrazione. Le loro applicazioni nei dispositivi a radiofrequenza a microonde, nei LED, nei laser, nei dispositivi di potenza e in altri campi hanno attirato molta attenzione e hanno mostrato ampie prospettive di sviluppo nelle comunicazioni mobili, nelle reti intelligenti, nel trasporto ferroviario, nei veicoli a nuova energia, nell'elettronica di consumo e nei dispositivi a luce ultravioletta e blu-verde [1].