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

1. Semiconduttori di terza generazione

La tecnologia dei semiconduttori di prima generazione è stata sviluppata sulla base di materiali semiconduttori come Si e Ge. Costituisce la base 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 di base per la tecnologia dei circuiti integrati.

I materiali semiconduttori di seconda generazione includono 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 costituiscono il fondamento dell'industria optoelettronica dell'informazione. Su questa base, si sono sviluppati settori correlati come l'illuminazione, i display, i laser e il fotovoltaico. Sono ampiamente utilizzati nell'industria informatica contemporanea e nei settori dei display optoelettronici.

Materiali rappresentativi dei semiconduttori di terza generazione includono il nitruro di gallio e il carburo di silicio. Grazie all'ampio band gap, all'elevata velocità di deriva di saturazione degli elettroni, all'elevata conduttività termica e all'elevata intensità del campo di breakdown, sono materiali ideali per la realizzazione di dispositivi elettronici ad alta densità di potenza, alta frequenza e basse perdite. Tra questi, i dispositivi di potenza in carburo di silicio presentano i vantaggi di un'elevata densità di energia, un basso consumo energetico e dimensioni ridotte, con ampie prospettive di applicazione nei veicoli a nuova energia, nel fotovoltaico, nel trasporto ferroviario, nei big data e in altri settori. I dispositivi RF in nitruro di gallio presentano i vantaggi di alta frequenza, alta 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 settori. Inoltre, i dispositivi di potenza a base di nitruro di gallio sono stati ampiamente utilizzati nel campo della bassa tensione. Inoltre, negli ultimi anni si prevede che i nuovi materiali a base di ossido di gallio formeranno una complementarietà tecnica con le tecnologie SiC e GaN esistenti e avranno potenziali prospettive di applicazione nei campi della bassa frequenza e dell'alta tensione.

Rispetto ai materiali semiconduttori di seconda generazione, i materiali semiconduttori di terza generazione presentano un'ampiezza di bandgap più ampia (l'ampiezza di bandgap del Si, un materiale tipico dei materiali semiconduttori di prima generazione, è di circa 1,1 eV, l'ampiezza di bandgap del GaAs, un materiale tipico dei materiali semiconduttori di seconda generazione, è di circa 1,42 eV e l'ampiezza di bandgap del GaN, un materiale tipico dei materiali semiconduttori di terza generazione, è superiore a 2,3 eV), una maggiore resistenza alle radiazioni, una maggiore resistenza alla rottura del campo elettrico e una maggiore resistenza alla temperatura. I materiali semiconduttori di terza generazione con ampiezza di bandgap più ampia 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 nuovi veicoli energetici, nell'elettronica di consumo e nei dispositivi a luce ultravioletta e blu-verde [1].