GaN-enkel kristal

Halfgeleidertechnologie is de ruggengraat van de moderne beschaving geweest en heeft de manier waarop we leven, werken en omgaan met de wereld fundamenteel veranderd. Het heeft ongekende vooruitgang mogelijk gemaakt op verschillende gebieden, waaronder informatietechnologie, energie, telecommunicatie en gezondheidszorg. Van de microprocessors die onze smartphones en computers aandrijven, tot de sensoren in medische apparaten en de vermogenselektronica in systemen voor hernieuwbare energie: halfgeleiders vormen de kern van bijna elke technologische innovatie van de afgelopen eeuw.

Eerste generatie halfgeleiders: Germanium en silicium

De geschiedenis van de halfgeleidertechnologie begon met de eerste generatie halfgeleiders, voornamelijk germanium (Ge) en silicium (Si). Deze materialen zijn elementaire halfgeleiders, wat betekent dat ze uit één enkel element bestaan. Vooral silicium is het meest gebruikte halfgeleidermateriaal vanwege zijn overvloed, kosteneffectiviteit en uitstekende elektronische eigenschappen. Op silicium gebaseerde technologie is de afgelopen decennia volwassen geworden, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen (IC's) die de basis vormen van moderne elektronica. Het vermogen van silicium om een ​​stabiele en hoogwaardige oxidelaag (siliciumdioxide) te vormen is een cruciale factor geweest in het succes van metaaloxide-halfgeleider (MOS)-apparaten, die de bouwstenen vormen van de meeste digitale elektronica.

Tweede generatie halfgeleiders: galliumarsenide en indiumfosfide

Naarmate de technologie evolueerde, werden de beperkingen van silicium duidelijk, vooral bij hogesnelheids- en hoogfrequente toepassingen. Dit leidde tot de ontwikkeling van de tweede generatie halfgeleiders, waaronder samengestelde halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP). Deze materialen staan ​​bekend om hun superieure elektronenmobiliteit en directe bandafstand, waardoor ze ideaal zijn voor opto-elektronische apparaten zoals light-emitting diodes (LED's), laserdiodes en hoogfrequente transistors. GaAs wordt bijvoorbeeld veel gebruikt in microgolf- en millimetergolfcommunicatiesystemen, maar ook in satelliet- en radartechnologieën. Ondanks hun voordelen is de wijdverbreide acceptatie van GaAs en InP beperkt gebleven vanwege hogere kosten en uitdagingen bij de productie.

Derde generatie halfgeleiders:SiliciumcarbideEnGalliumnitride

De afgelopen jaren is de focus verschoven naar de derde generatie halfgeleiders, waartoe ook materialen behorensiliciumcarbide (SiC)Engalliumnitride (GaN). Deze materialen hebben een grote bandafstand, wat betekent dat ze bij hogere spanningen, temperaturen en frequenties kunnen werken dan hun voorgangers.GaN, in het bijzonder, heeft veel aandacht gekregen vanwege zijn uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een brede bandafstand van 3,4 eV, hoge elektronenmobiliteit, hoge doorslagspanning en uitstekende thermische geleidbaarheid. Deze kenmerken makenGaNeen ideale kandidaat voor toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie, zoals snelladers, vermogenstransistors en radiofrequentie (RF) microgolfapparaten.

Kristalstructuur en hechtingGaN

GaNbehoort tot de III-V-groep van samengestelde halfgeleiders, die zijn samengesteld uit elementen uit groep III (bijvoorbeeld gallium) en groep V (bijvoorbeeld stikstof) van het periodiek systeem. De kristalstructuur vanGaNkan in twee primaire vormen voorkomen: hexagonaal wurtziet en kubisch sphaleriet. Het type kristalstructuur dat ontstaat, wordt beïnvloed door de aard van de chemische bindingen tussen de atomen. In halfgeleiderverbindingen kan de binding een mix zijn van covalente en ionische bindingen. Hoe ionischer de binding, hoe waarschijnlijker het is dat het materiaal een wurtzietstructuur vormt. In het geval vanGaNleidt het grote verschil in elektronegativiteit tussen gallium (Ga) en stikstof (N) tot een significant ionisch karakter in de binding. Als gevolg hiervanGaNkristalliseert typisch in de wurtzietstructuur, die bekend staat om zijn hoge thermische stabiliteit en weerstand tegen chemische corrosie.

Voordelen vanGaNOver eerdere halfgeleidermaterialen

Vergeleken met halfgeleidermaterialen van de eerste en tweede generatie,GaNbiedt verschillende voordelen die het bijzonder aantrekkelijk maken voor geavanceerde toepassingen. Een van de belangrijkste voordelen is de grote bandafstand, waardoor op GaN gebaseerde apparaten op hogere spanningen en temperaturen kunnen werken zonder dat ze kapot gaan. Dit maakt GaN een uitstekend materiaal voor vermogenselektronica, waarbij efficiëntie en thermisch beheer van cruciaal belang zijn. Bovendien heeft GaN een lagere diëlektrische constante, waardoor de capaciteit wordt verminderd en snellere schakelsnelheden in transistors mogelijk worden gemaakt.

GaNbeschikt ook over een hogere kritische elektrische veldsterkte, waardoor apparaten grotere elektrische velden kunnen verwerken zonder een storing te ervaren. Dit is vooral belangrijk in toepassingen met hoog vermogen, waarbij het vermogen om hoge spanningen en stromen te beheren essentieel is. Bovendien draagt ​​de hoge elektronenmobiliteit van GaN bij aan de geschiktheid ervan voor hoogfrequente toepassingen, zoals RF- en microgolfapparaten. De combinatie van deze eigenschappen – hoge thermische geleidbaarheid, hoge temperatuurbestendigheid en stralingshardheid – maakt GaN tot een veelzijdig materiaal dat klaar staat om een ​​cruciale rol te spelen in de volgende generatie elektronische apparaten.

GaNin moderne toepassingen en toekomstperspectieven

De unieke eigenschappen vanGaNzijn al begonnen met het revolutioneren van verschillende industrieën. In de consumentenelektronica worden op GaN gebaseerde snelladers steeds populairder vanwege hun efficiëntie en compacte formaat in vergelijking met traditionele op silicium gebaseerde laders. Op het gebied van de telecommunicatie wordt GaN gebruikt om hoogfrequente transistors te ontwikkelen die essentieel zijn voor 5G-netwerken en daarbuiten. De lucht- en ruimtevaart- en defensiesector onderzoeken ook het potentieel van GaN voor gebruik in krachtige radar- en communicatiesystemen, waar het vermogen om onder extreme omstandigheden te opereren van onschatbare waarde is.