Wprowadzenie do trzeciej generacji półprzewodników GaN i powiązanej technologii epitaksjalnej

1. Półprzewodniki trzeciej generacji

Technologia półprzewodnikowa pierwszej generacji została opracowana na podstawie materiałów półprzewodnikowych, takich jak Si i Ge. Jest to materiałowa podstawa rozwoju tranzystorów i technologii układów scalonych. Materiały półprzewodnikowe pierwszej generacji położyły podwaliny pod przemysł elektroniczny w XX wieku i są podstawowymi materiałami dla technologii układów scalonych.

Materiały półprzewodnikowe drugiej generacji obejmują głównie arsenek galu, fosforek indu, fosforek galu, arsenek indu, arsenek glinu i ich związki trójskładnikowe. Materiały półprzewodnikowe drugiej generacji stanowią podstawę przemysłu informacji optoelektronicznej. Na tej podstawie rozwinęły się pokrewne branże, takie jak oświetlenie, wyświetlacze, lasery i fotowoltaika. Są one szeroko stosowane we współczesnej technologii informacyjnej i przemyśle wyświetlaczy optoelektronicznych.

Materiały reprezentatywne dla materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji obejmują azotek galu i węglik krzemu. Ze względu na szeroką przerwę pasmową, wysoką prędkość dryfu nasycenia elektronów, wysoką przewodność cieplną i wysoką wytrzymałość pola przebicia są idealnymi materiałami do przygotowywania urządzeń elektronicznych o dużej gęstości mocy, wysokiej częstotliwości i niskich stratach. Spośród nich urządzenia zasilające z węglika krzemu mają zalety wysokiej gęstości energii, niskiego zużycia energii i małych rozmiarów oraz mają szerokie perspektywy zastosowania w pojazdach nowej energii, fotowoltaice, transporcie kolejowym, dużych zbiorach danych i innych dziedzinach. Urządzenia RF z azotku galu mają zalety wysokiej częstotliwości, dużej mocy, szerokiego pasma, niskiego zużycia energii i małych rozmiarów oraz mają szerokie perspektywy zastosowania w komunikacji 5G, Internecie rzeczy, radarach wojskowych i innych dziedzinach. Ponadto urządzenia zasilające na bazie azotku galu są szeroko stosowane w dziedzinie niskiego napięcia. Ponadto oczekuje się, że w ostatnich latach nowe materiały na bazie tlenku galu będą stanowić techniczne uzupełnienie istniejących technologii SiC i GaN oraz że znajdą potencjalne zastosowania w dziedzinach niskich częstotliwości i wysokich napięć.

W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi drugiej generacji, materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji mają szerszą przerwę energetyczną (szerokość przerwy energetycznej Si, typowego materiału materiału półprzewodnikowego pierwszej generacji, wynosi około 1,1 eV, szerokość przerwy energetycznej GaAs, typowego materiału materiału półprzewodnikowego drugiej generacji, wynosi około 1,42 eV, a szerokość przerwy energetycznej GaN, typowego materiału materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji, wynosi ponad 2,3 eV), silniejszą odporność na promieniowanie, silniejszą odporność na przebicie w polu elektrycznym i wyższą odporność na temperaturę. Materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji o szerszej przerwie energetycznej są szczególnie odpowiednie do produkcji odpornych na promieniowanie, wysokoczęstotliwościowych, wysokomocowych i o wysokiej gęstości integracji urządzeń elektronicznych. Ich zastosowania w urządzeniach wykorzystujących mikrofale, diodach LED, laserach, urządzeniach energetycznych i innych dziedzinach przyciągnęły dużą uwagę i wykazały szerokie perspektywy rozwoju w komunikacji mobilnej, inteligentnych sieciach energetycznych, transporcie kolejowym, pojazdach zasilanych nowymi źródłami energii, elektronice użytkowej oraz urządzeniach wykorzystujących światło ultrafioletowe i niebiesko-zielone [1].