บทนำเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม GaN และเทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียลที่เกี่ยวข้อง

1. เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม

เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกพัฒนาขึ้นจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งเป็นพื้นฐานทางวัสดุสำหรับการพัฒนาทรานซิสเตอร์และเทคโนโลยีวงจรรวม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกวางรากฐานให้กับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในศตวรรษที่ 20 และเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีวงจรรวม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ อินเดียมฟอสไฟด์ อะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ และสารประกอบไตรภาคของสารเหล่านี้ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมข้อมูลอิเล็กโทรออปติก บนพื้นฐานนี้ได้มีการพัฒนาอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง เช่น แสงสว่าง จอแสดงผล เลเซอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีสารสนเทศและอุตสาหกรรมจอแสดงผลอิเล็กโทรออปติกในปัจจุบัน

วัสดุตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากมีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง การนำความร้อนสูง และความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าสูง จึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ความถี่สูง และการสูญเสียต่ำ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือความหนาแน่นพลังงานสูง การใช้พลังงานต่ำ และขนาดเล็ก และมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในยานยนต์พลังงานใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์ การขนส่งทางราง บิ๊กดาต้า และสาขาอื่นๆ อุปกรณ์ RF ที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์มีข้อดีคือความถี่สูง กำลังสูง แบนด์วิดท์กว้าง การใช้พลังงานต่ำ และขนาดเล็ก และมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในระบบสื่อสาร 5G อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ เรดาร์ทางทหาร และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านแรงดันต่ำ ยิ่งไปกว่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุแกลเลียมออกไซด์ที่เกิดขึ้นใหม่คาดว่าจะสร้างความสมบูรณ์ทางเทคนิคกับเทคโนโลยี SiC และ GaN ที่มีอยู่ และมีศักยภาพในการใช้งานในด้านความถี่ต่ำและแรงดันสูง

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามมีช่วงแถบพลังงานที่กว้างกว่า (ช่วงแถบพลังงานของ Si ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก อยู่ที่ประมาณ 1.1 eV ช่วงแถบพลังงานของ GaAs ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง อยู่ที่ประมาณ 1.42 eV และช่วงแถบพลังงานของ GaN ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม อยู่ที่มากกว่า 2.3 eV) มีความต้านทานต่อรังสีสูงกว่า ความต้านทานต่อการแตกตัวของสนามไฟฟ้าสูงกว่า และความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงกว่า วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีช่วงแถบพลังงานกว้างกว่าจึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่อรังสี ความถี่สูง กำลังสูง และมีความหนาแน่นของการรวมวงจรสูง การประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์คลื่นความถี่วิทยุไมโครเวฟ LED เลเซอร์ อุปกรณ์พลังงาน และสาขาอื่นๆ ได้รับความสนใจอย่างมาก และแสดงให้เห็นถึงโอกาสในการพัฒนาที่กว้างขวางในด้านการสื่อสารเคลื่อนที่ โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ ระบบขนส่งทางราง ยานพาหนะพลังงานใหม่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และอุปกรณ์แสงอัลตราไวโอเลตและแสงสีฟ้าเขียว [1]