GaN enkelt krystal

Halvlederteknologi har været rygraden i den moderne civilisation, og har fundamentalt transformeret den måde, vi lever, arbejder og interagerer med verden på. Det har muliggjort hidtil usete fremskridt på forskellige områder, herunder informationsteknologi, energi, telekommunikation og sundhedspleje. Fra mikroprocessorerne, der driver vores smartphones og computere, til sensorerne i medicinsk udstyr og kraftelektronikken i vedvarende energisystemer, er halvledere kernen i næsten enhver teknologisk innovation i det seneste århundrede.

Første generation af halvledere: Germanium og silicium

Halvlederteknologiens historie begyndte med den første generation af halvledere, primært germanium (Ge) og silicium (Si). Disse materialer er elementære halvledere, hvilket betyder, at de er sammensat af et enkelt element. Silicium har især været det mest udbredte halvledermateriale på grund af dets overflod, omkostningseffektivitet og fremragende elektroniske egenskaber. Siliciumbaseret teknologi er modnet over årtier, hvilket har ført til udviklingen af ​​integrerede kredsløb (IC'er), der danner grundlaget for moderne elektronik. Siliciums evne til at danne et stabilt og højkvalitets oxidlag (siliciumdioxid) har været en kritisk faktor i succesen for metal-oxid-halvleder (MOS) enheder, som er byggestenene i det meste af digital elektronik.

Anden generation af halvledere: galliumarsenid og indiumphosphid

Efterhånden som teknologien udviklede sig, blev siliciums begrænsninger tydelige, især i højhastigheds- og højfrekvente applikationer. Dette førte til udviklingen af ​​anden generation af halvledere, som omfatter sammensatte halvledere som galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP). Disse materialer er kendt for deres overlegne elektronmobilitet og direkte båndgab, hvilket gør dem ideelle til optoelektroniske enheder såsom lysemitterende dioder (LED'er), laserdioder og højfrekvente transistorer. GaAs er for eksempel meget udbredt i mikrobølge- og millimeterbølgekommunikationssystemer såvel som i satellit- og radarteknologier. På trods af deres fordele har den udbredte anvendelse af GaAs og InP været begrænset på grund af højere omkostninger og udfordringer i fremstillingen.

Tredje generation af halvledere:SiliciumcarbidogGalliumnitrid

I de senere år er fokus flyttet til tredje generation af halvledere, som omfatter materialer som f.ekssiliciumcarbid (SiC)oggalliumnitrid (GaN). Disse materialer har et bredt båndgab, hvilket betyder, at de kan fungere ved højere spændinger, temperaturer og frekvenser end deres forgængere.GaN, har især høstet betydelig opmærksomhed for sine exceptionelle egenskaber, herunder et bredt båndgab på 3,4 eV, høj elektronmobilitet, høj gennembrudsspænding og fremragende termisk ledningsevne. Disse egenskaber gørGaNen ideel kandidat til højeffekt- og højfrekvente applikationer, såsom hurtigopladere, effekttransistorer og radiofrekvente (RF) mikrobølgeenheder.

Krystalstruktur og indbindingGaN

GaNtilhører III-V-gruppen af ​​sammensatte halvledere, som er sammensat af grundstoffer fra gruppe III (f.eks. gallium) og gruppe V (f.eks. nitrogen) i det periodiske system. Krystalstrukturen afGaNkan eksistere i to primære former: sekskantet wurtzit og kubisk sphalerit. Typen af ​​krystalstruktur, der dannes, er påvirket af arten af ​​de kemiske bindinger mellem atomerne. I halvlederforbindelser kan bindingen være en blanding af kovalente og ioniske bindinger. Jo mere ionisk bindingen er, jo mere sandsynligt er det, at materialet danner en wurtzitstruktur. I tilfælde afGaN, fører den store forskel i elektronegativitet mellem gallium (Ga) og nitrogen (N) til en signifikant ionkarakter i bindingen. Som følge herafGaNkrystalliserer typisk i wurtzitstrukturen, som er kendt for sin høje termiske stabilitet og modstandsdygtighed over for kemisk korrosion.

Fordele vedGaNOver tidligere halvledermaterialer

Sammenlignet med første og anden generation af halvledermaterialer,GaNbyder på flere fordele, der gør det særligt attraktivt til banebrydende applikationer. En af de vigtigste fordele er dens brede båndgab, der gør det muligt for GaN-baserede enheder at fungere ved højere spændinger og temperaturer uden at gå i stykker. Dette gør GaN til et fremragende materiale til kraftelektronik, hvor effektivitet og termisk styring er kritiske bekymringer. Derudover har GaN en lavere dielektricitetskonstant, hvilket hjælper med at reducere kapacitansen og muliggøre hurtigere koblingshastigheder i transistorer.

GaNhar også en højere kritisk elektrisk feltstyrke, hvilket gør det muligt for enheder at håndtere større elektriske felter uden at opleve nedbrud. Dette er især vigtigt i højeffektapplikationer, hvor evnen til at håndtere høje spændinger og strømme er afgørende. Desuden bidrager GaNs høje elektronmobilitet til dets egnethed til højfrekvente applikationer, såsom RF- og mikrobølgeenheder. Kombinationen af ​​disse egenskaber - høj termisk ledningsevne, høj temperaturbestandighed og strålingshårdhed - gør GaN til et alsidigt materiale, der er klar til at spille en afgørende rolle i den næste generation af elektroniske enheder.

GaNi moderne applikationer og fremtidsudsigter

De unikke egenskaber vedGaNer allerede begyndt at revolutionere flere industrier. Inden for forbrugerelektronik bliver GaN-baserede hurtigopladere stadig mere populære på grund af deres effektivitet og kompakte størrelse sammenlignet med traditionelle siliciumbaserede opladere. Inden for telekommunikationsområdet bliver GaN brugt til at udvikle højfrekvente transistorer, der er essentielle for 5G-netværk og videre. Luftfarts- og forsvarssektoren udforsker også GaNs potentiale for brug i højeffekts radar- og kommunikationssystemer, hvor dets evne til at operere under ekstreme forhold er uvurderlig.