Úvod do polovodičového GaN tretej generácie a súvisiacej epitaxnej technológie

1. Polovodiče tretej generácie

Prvá generácia polovodičovej technológie bola vyvinutá na základe polovodičových materiálov, ako sú Si a Ge. Je materiálovým základom pre vývoj tranzistorov a technológie integrovaných obvodov. Polovodičové materiály prvej generácie položili základy elektronického priemyslu v 20. storočí a sú základnými materiálmi pre technológiu integrovaných obvodov.

Medzi polovodičové materiály druhej generácie patrí najmä arzenid gália, fosfid india, arzenid india, arzenid hliníka a ich ternárne zlúčeniny. Polovodičové materiály druhej generácie sú základom optoelektronického informačného priemyslu. Na tomto základe boli vyvinuté súvisiace odvetvia, ako je osvetlenie, displeje, lasery a fotovoltaika. Nachádzajú sa v súčasnosti v odvetví informačných technológií a optoelektronických displejov.

Medzi reprezentatívne materiály polovodičových materiálov tretej generácie patrí nitrid gália a karbid kremíka. Vďaka širokej pásmovej medzere, vysokej rýchlosti driftu elektrónovej saturácie, vysokej tepelnej vodivosti a vysokej intenzite prierazného poľa sú ideálnymi materiálmi na výrobu elektronických zariadení s vysokou hustotou výkonu, vysokou frekvenciou a nízkymi stratami. Medzi nimi majú výkonové zariadenia z karbidu kremíka výhody vysokej hustoty energie, nízkej spotreby energie a malých rozmerov a majú široké uplatnenie v nových energetických vozidlách, fotovoltaike, železničnej doprave, veľkých dátach a ďalších oblastiach. RF zariadenia z nitridu gália majú výhody vysokej frekvencie, vysokého výkonu, širokej šírky pásma, nízkej spotreby energie a malých rozmerov a majú široké uplatnenie v 5G komunikáciách, internete vecí, vojenskom radare a ďalších oblastiach. Okrem toho sa výkonové zariadenia na báze nitridu gália široko používajú v oblasti nízkeho napätia. Okrem toho sa v posledných rokoch očakáva, že nové materiály z oxidu gália budú tvoriť technickú komplementaritu s existujúcimi technológiami SiC a GaN a budú mať potenciálne uplatnenie v oblastiach nízkeho a vysokého napätia.

V porovnaní s polovodičovými materiálmi druhej generácie majú polovodičové materiály tretej generácie širšiu šírku zakázaného pásma (šírka zakázaného pásma Si, typického materiálu polovodičového materiálu prvej generácie, je približne 1,1 eV, šírka zakázaného pásma GaAs, typického materiálu polovodičového materiálu druhej generácie, je približne 1,42 eV a šírka zakázaného pásma GaN, typického materiálu polovodičového materiálu tretej generácie, je nad 2,3 eV), silnejšiu odolnosť voči žiareniu, silnejšiu odolnosť voči prierazu elektrickým poľom a vyššiu teplotnú odolnosť. Polovodičové materiály tretej generácie so širšou šírkou zakázaného pásma sú obzvlášť vhodné na výrobu elektronických zariadení odolných voči žiareniu, vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a s vysokou hustotou integrácie. Ich aplikácie v mikrovlnných rádiofrekvenčných zariadeniach, LED diódach, laseroch, výkonových zariadeniach a ďalších oblastiach priťahujú veľkú pozornosť a preukazujú široké rozvojové perspektívy v mobilnej komunikácii, inteligentných sieťach, železničnej doprave, vozidlách s novou energiou, spotrebnej elektronike a zariadeniach s ultrafialovým a modrozeleným svetlom [1].