Ievads trešās paaudzes pusvadītāju GaN un saistītajā epitaksiālajā tehnoloģijā

1. Trešās paaudzes pusvadītāji

Pirmās paaudzes pusvadītāju tehnoloģija tika izstrādāta, pamatojoties uz pusvadītāju materiāliem, piemēram, Si un Ge. Tā ir materiāla bāze tranzistoru un integrēto shēmu tehnoloģijas attīstībai. Pirmās paaudzes pusvadītāju materiāli 20. gadsimtā lika pamatus elektronikas rūpniecībai un ir integrēto shēmu tehnoloģijas pamatmateriāli.

Otrās paaudzes pusvadītāju materiāli galvenokārt ietver gallija arsenīdu, indija fosfīdu, gallija fosfīdu, indija arsenīdu, alumīnija arsenīdu un to trīskāršos savienojumus. Otrās paaudzes pusvadītāju materiāli ir optoelektroniskās informācijas nozares pamats. Uz šī pamata ir izstrādātas saistītās nozares, piemēram, apgaismojums, displeji, lāzeri un fotoelektriskie elementi. Tos plaši izmanto mūsdienu informācijas tehnoloģiju un optoelektronisko displeju nozarēs.

Trešās paaudzes pusvadītāju materiālu reprezentatīvie materiāli ir gallija nitrīds un silīcija karbīds. Pateicoties to plašajai joslas spraugai, augstajam elektronu piesātinājuma dreifa ātrumam, augstajai siltumvadītspējai un augstajam sabrukšanas lauka stiprumam, tie ir ideāli materiāli augstas jaudas blīvuma, augstas frekvences un mazu zudumu elektronisko ierīču ražošanai. Starp tām silīcija karbīda jaudas ierīcēm ir augsta enerģijas blīvuma, zema enerģijas patēriņa un maza izmēra priekšrocības, un tām ir plašas pielietojuma iespējas jaunos enerģijas transportlīdzekļos, fotoelektriskajos elementos, dzelzceļa transportā, lielo datu apstrādē un citās jomās. Gallija nitrīda RF ierīcēm ir augstas frekvences, lielas jaudas, plaša joslas platuma, zema enerģijas patēriņa un maza izmēra priekšrocības, un tām ir plašas pielietojuma iespējas 5G sakaros, lietu internetā, militārajos radaros un citās jomās. Turklāt uz gallija nitrīda balstītas jaudas ierīces ir plaši izmantotas zemsprieguma jomā. Turklāt pēdējos gados tiek sagaidīts, ka jaunie gallija oksīda materiāli veidos tehnisku papildināmību ar esošajām SiC un GaN tehnoloģijām, un tiem ir potenciālas pielietojuma iespējas zemfrekvences un augstsprieguma jomās.

Salīdzinot ar otrās paaudzes pusvadītāju materiāliem, trešās paaudzes pusvadītāju materiāliem ir plašāks joslas platums (Si, kas ir tipisks pirmās paaudzes pusvadītāju materiāla materiāls, joslas platums ir aptuveni 1,1 eV, GaAs, kas ir tipisks otrās paaudzes pusvadītāju materiāla materiāls, joslas platums ir aptuveni 1,42 eV, un GaN, kas ir tipisks trešās paaudzes pusvadītāju materiāla materiāls, joslas platums ir virs 2,3 eV), spēcīgāka izturība pret starojumu, spēcīgāka izturība pret elektriskā lauka sabrukšanu un augstāka temperatūras izturība. Trešās paaudzes pusvadītāju materiāli ar plašāku joslas platumu ir īpaši piemēroti starojuma izturīgu, augstas frekvences, lielas jaudas un augsta integrācijas blīvuma elektronisko ierīču ražošanai. To pielietojums mikroviļņu radiofrekvences ierīcēs, gaismas diodēs, lāzeros, jaudas ierīcēs un citās jomās ir piesaistījis lielu uzmanību, un tie ir parādījuši plašas attīstības perspektīvas mobilajās sakaros, viedtīklos, dzelzceļa transportā, jaunās enerģijas transportlīdzekļos, plaša patēriņa elektronikā un ultravioletās un zili zaļās gaismas ierīcēs [1].