Introduksjon til tredje generasjons halvleder GaN og relatert epitaksialteknologi

1. Tredje generasjons halvledere

Første generasjons halvlederteknologi ble utviklet basert på halvledermaterialer som Si og Ge. Det er det materielle grunnlaget for utviklingen av transistorer og integrert kretsteknologi. Første generasjons halvledermaterialer la grunnlaget for elektronikkindustrien i det 20. århundre og er de grunnleggende materialene for integrert kretsteknologi.

Andre generasjons halvledermaterialer omfatter hovedsakelig galliumarsenid, indiumfosfid, galliumfosfid, indiumarsenid, aluminiumarsenid og deres ternære forbindelser. Andre generasjons halvledermaterialer er grunnlaget for den optoelektroniske informasjonsindustrien. På dette grunnlaget har relaterte industrier som belysning, display, laser og solcellepaneler blitt utviklet. De er mye brukt i moderne informasjonsteknologi og optoelektroniske displayindustrier.

Representative materialer for tredjegenerasjons halvledermaterialer inkluderer galliumnitrid og silisiumkarbid. På grunn av deres brede båndgap, høye elektronmetningsdrifthastighet, høye termiske ledningsevne og høye gjennombruddsfeltstyrke, er de ideelle materialer for å fremstille elektroniske enheter med høy effekttetthet, høyfrekvente og lavtap. Blant dem har silisiumkarbid-kraftenheter fordelene med høy energitetthet, lavt energiforbruk og liten størrelse, og har brede anvendelsesmuligheter innen nye energikjøretøyer, solceller, jernbanetransport, stordata og andre felt. Galliumnitrid RF-enheter har fordelene med høy frekvens, høy effekt, bred båndbredde, lavt strømforbruk og liten størrelse, og har brede anvendelsesmuligheter innen 5G-kommunikasjon, tingenes internett, militærradar og andre felt. I tillegg har galliumnitridbaserte kraftenheter blitt mye brukt innen lavspenningsfeltet. I tillegg forventes det de siste årene at nye galliumoksidmaterialer vil danne teknisk komplementaritet med eksisterende SiC- og GaN-teknologier, og ha potensielle anvendelsesmuligheter innen lavfrekvens- og høyspenningsfeltene.

Sammenlignet med andre generasjons halvledermaterialer har tredje generasjons halvledermaterialer bredere båndgapbredde (båndgapbredden til Si, et typisk materiale i første generasjons halvledermateriale, er omtrent 1,1 eV, båndgapbredden til GaAs, et typisk materiale i andre generasjons halvledermateriale, er omtrent 1,42 eV, og båndgapbredden til GaN, et typisk materiale i tredje generasjons halvledermateriale, er over 2,3 eV), sterkere strålingsmotstand, sterkere motstand mot elektrisk feltgjennombrudd og høyere temperaturmotstand. Tredje generasjons halvledermaterialer med bredere båndgapbredde er spesielt egnet for produksjon av strålingsbestandige, høyfrekvente, høyeffekts og høy integrasjonstetthet elektroniske enheter. Deres anvendelser i mikrobølgeradiofrekvensenheter, LED-er, lasere, strømforsyningsenheter og andre felt har fått mye oppmerksomhet, og de har vist brede utviklingsmuligheter innen mobilkommunikasjon, smarte nett, jernbanetransport, nye energikjøretøyer, forbrukerelektronikk og ultrafiolette og blågrønne lysenheter [1].