Wprowadzenie do trzeciej generacji półprzewodników GaN i powiązanej technologii epitaksjalnej

1. Półprzewodniki trzeciej generacji

Technologia półprzewodnikowa pierwszej generacji została opracowana w oparciu o materiały półprzewodnikowe, takie jak Si i Ge. Stanowi ona podstawę 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 optoelektronicznego. Na ich bazie rozwinęły się pokrewne gałęzie przemysłu, takie jak oświetlenie, wyświetlacze, lasery i fotowoltaika. Są one szeroko stosowane we współczesnych technologiach informatycznych i wyświetlaczach optoelektronicznych.

Reprezentatywne materiały dla półprzewodników trzeciej generacji obejmują azotek galu i węglik krzemu. Ze względu na szeroką przerwę energetyczną, wysoką prędkość dryfu nasycenia elektronów, wysoką przewodność cieplną i wysoką wytrzymałość pola przebicia, są one idealnymi materiałami do wytwarzania urządzeń elektronicznych o dużej gęstości mocy, wysokiej częstotliwości i niskich stratach. Wśród nich, urządzenia mocy z węglika krzemu charakteryzują się wysoką gęstością energii, niskim zużyciem energii i małymi rozmiarami, a także mają szerokie perspektywy zastosowania w pojazdach nowych źródeł energii, fotowoltaice, transporcie kolejowym, dużych zbiorach danych i innych dziedzinach. Urządzenia RF z azotku galu charakteryzują się wysoką częstotliwością, dużą mocą, szerokim pasmem, niskim zużyciem energii i małymi rozmiarami, a także mają szerokie perspektywy zastosowania w komunikacji 5G, Internecie Rzeczy, radarach wojskowych i innych dziedzinach. Ponadto, urządzenia mocy 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 zastosowanie w dziedzinach niskich częstotliwości i wysokich napięć.

W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi drugiej generacji, materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji charakteryzują się szerszą przerwą energetyczną (szerokość przerwy energetycznej Si, typowego materiału półprzewodnikowego pierwszej generacji, wynosi około 1,1 eV, szerokość przerwy energetycznej GaAs, typowego materiału półprzewodnikowego drugiej generacji, wynosi około 1,42 eV, a szerokość przerwy energetycznej GaN, typowego materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji, wynosi ponad 2,3 eV), wyższą odpornością na promieniowanie, wyższą odpornością na przebicia w polu elektrycznym i wyższą odpornością temperaturową. Materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji o szerszej przerwie energetycznej są szczególnie odpowiednie do produkcji urządzeń elektronicznych odpornych na promieniowanie, o wysokiej częstotliwości, dużej mocy i wysokiej gęstości integracji. Ich zastosowania w urządzeniach wykorzystujących mikrofale, diodach LED, laserach, urządzeniach energetycznych i innych dziedzinach przyciągnęły dużą uwagę i wykazały szerokie perspektywy rozwoju w zakresie komunikacji mobilnej, inteligentnych sieci, transportu kolejowego, pojazdów o nowej energii, elektroniki użytkowej oraz urządzeń wykorzystujących światło ultrafioletowe i niebiesko-zielone [1].