מבוא ל-GaN של מוליכים למחצה מהדור השלישי וטכנולוגיה אפיטקסיאלית קשורה

1. מוליכים למחצה דור שלישי

טכנולוגיית המוליכים למחצה מהדור הראשון פותחה על בסיס חומרים מוליכים למחצה כמו סיליקון וגליל. זהו הבסיס החומרי לפיתוח טרנזיסטורים וטכנולוגיית מעגלים משולבים. חומרי המוליכים למחצה מהדור הראשון הניחו את היסודות לתעשיית האלקטרוניקה במאה ה-20 והם החומרים הבסיסיים לטכנולוגיית מעגלים משולבים.

חומרי המוליכים למחצה מהדור השני כוללים בעיקר גליום ארסניד, אינדיום פוספיד, גליום פוספיד, אינדיום ארסניד, אלומיניום ארסניד ותרכובותיהם הטרנריות. חומרי המוליכים למחצה מהדור השני הם הבסיס לתעשיית המידע האופטואלקטרונית. על בסיס זה פותחו תעשיות קשורות כגון תאורה, תצוגה, לייזר ופוטו-וולטאית. הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות טכנולוגיית המידע והתצוגה האופטואלקטרונית העכשוויות.

חומרים מייצגים של חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי כוללים גליום ניטריד וסיליקון קרביד. בשל פער הפס הרחב שלהם, מהירות סחיפה גבוהה של רוויון אלקטרונים, מוליכות תרמית גבוהה ועוצמת שדה פריצה גבוהה, הם חומרים אידיאליים להכנת התקנים אלקטרוניים בעלי צפיפות הספק גבוהה, תדר גבוה והפסדים נמוכים. ביניהם, להתקני כוח מסיליקון קרביד יש יתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה, צריכת אנרגיה נמוכה וגודל קטן, ויש להם פוטנציאל יישום רחב ברכבי אנרגיה חדשים, פוטו-וולטאית, תחבורה רכבתית, ביג דאטה ותחומים אחרים. להתקני RF מסיליקון ניטריד יש יתרונות של תדר גבוה, הספק גבוה, רוחב פס רחב, צריכת חשמל נמוכה וגודל קטן, ויש להם פוטנציאל יישום רחב בתקשורת 5G, האינטרנט של הדברים, מכ"ם צבאי ותחומים אחרים. בנוסף, התקני כוח מבוססי גליום ניטריד נמצאים בשימוש נרחב בתחום המתח הנמוך. בנוסף, בשנים האחרונות, חומרי תחמוצת גליום מתפתחים צפויים ליצור השלמה טכנית עם טכנולוגיות SiC ו-GaN קיימות, ויש להם פוטנציאל יישום בתחומי התדר הנמוך והמתח הגבוה.

בהשוואה לחומרי מוליכים למחצה מהדור השני, לחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי יש רוחב פער אנרגיה רחב יותר (רוחב פער האנרגיה של Si, חומר טיפוסי של חומר מוליכים למחצה מהדור הראשון, הוא כ-1.1eV, רוחב פער האנרגיה של GaAs, חומר טיפוסי של חומר מוליכים למחצה מהדור השני, הוא כ-1.42eV, ורוחב פער האנרגיה של GaN, חומר טיפוסי של חומר מוליכים למחצה מהדור השלישי, הוא מעל 2.3eV), עמידות גבוהה יותר לקרינה, עמידות חזקה יותר לקרינת שדה חשמלי ועמידות גבוהה יותר לטמפרטורה. חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי בעלי רוחב פער אנרגיה רחב יותר מתאימים במיוחד לייצור התקנים אלקטרוניים עמידים לקרינה, בתדר גבוה, בהספק גבוה ובצפיפות אינטגרציה גבוהה. יישומיהם בהתקני תדר רדיו מיקרוגל, נוריות LED, לייזרים, התקני הספק ותחומים אחרים משכו תשומת לב רבה, והם הראו סיכויי פיתוח רחבים בתקשורת סלולרית, רשתות חכמות, תחבורה רכבתית, כלי רכב לאנרגיה חדשה, מוצרי אלקטרוניקה צרכנית והתקני אור אולטרה סגול וכחול-ירוק [1].