GaN-Einkristall

Die Halbleitertechnologie ist das Rückgrat der modernen Zivilisation und hat die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und mit der Welt interagieren, grundlegend verändert. Es hat beispiellose Fortschritte in verschiedenen Bereichen ermöglicht, darunter Informationstechnologie, Energie, Telekommunikation und Gesundheitswesen. Von den Mikroprozessoren, die unsere Smartphones und Computer antreiben, über die Sensoren in medizinischen Geräten bis hin zur Leistungselektronik in erneuerbaren Energiesystemen – Halbleiter sind das Herzstück fast aller technologischen Innovationen des vergangenen Jahrhunderts.

Erste Generation von Halbleitern: Germanium und Silizium

Die Geschichte der Halbleitertechnologie begann mit der ersten Generation von Halbleitern, vor allem Germanium (Ge) und Silizium (Si). Diese Materialien sind elementare Halbleiter, das heißt, sie bestehen aus einem einzigen Element. Insbesondere Silizium ist aufgrund seines Vorkommens, seiner Kosteneffizienz und seiner hervorragenden elektronischen Eigenschaften das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial. Die siliziumbasierte Technologie ist über Jahrzehnte ausgereift und hat zur Entwicklung integrierter Schaltkreise (ICs) geführt, die die Grundlage moderner Elektronik bilden. Die Fähigkeit von Silizium, eine stabile und hochwertige Oxidschicht (Siliziumdioxid) zu bilden, war ein entscheidender Faktor für den Erfolg von Metalloxid-Halbleiter-Bauelementen (MOS), die die Bausteine ​​der meisten digitalen Elektronikgeräte sind.

Zweite Generation von Halbleitern: Galliumarsenid und Indiumphosphid

Mit der Weiterentwicklung der Technologie wurden die Grenzen von Silizium deutlich, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen. Dies führte zur Entwicklung der zweiten Halbleitergeneration, zu der Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) gehören. Diese Materialien sind für ihre überlegene Elektronenmobilität und direkte Bandlücke bekannt und eignen sich daher ideal für optoelektronische Geräte wie Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden und Hochfrequenztransistoren. GaAs wird beispielsweise häufig in Mikrowellen- und Millimeterwellen-Kommunikationssystemen sowie in der Satelliten- und Radartechnologie eingesetzt. Trotz ihrer Vorteile war die weit verbreitete Einführung von GaAs und InP aufgrund höherer Kosten und Herausforderungen bei der Herstellung begrenzt.

Dritte Generation von Halbleitern:SiliziumkarbidUndGalliumnitrid

In den letzten Jahren hat sich der Fokus auf die dritte Generation von Halbleitern verlagert, zu der Materialien wie gehörenSiliziumkarbid (SiC)UndGalliumnitrid (GaN). Diese Materialien verfügen über eine große Bandlücke, was bedeutet, dass sie bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen als ihre Vorgänger betrieben werden können.GaNInsbesondere hat es aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt, darunter eine große Bandlücke von 3,4 eV, eine hohe Elektronenmobilität, eine hohe Durchbruchspannung und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften machenGaNein idealer Kandidat für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen wie Schnellladegeräte, Leistungstransistoren und Hochfrequenz-(RF)-Mikrowellengeräte.

Kristallstruktur und Bindung inGaN

GaNgehört zur III-V-Gruppe der Verbindungshalbleiter, die aus Elementen der Gruppe III (z. B. Gallium) und der Gruppe V (z. B. Stickstoff) des Periodensystems bestehen. Die Kristallstruktur vonGaNkann in zwei Hauptformen existieren: hexagonaler Wurtzit und kubischer Sphalerit. Die Art der Kristallstruktur, die sich bildet, wird durch die Art der chemischen Bindungen zwischen den Atomen beeinflusst. In Halbleiterverbindungen kann die Bindung eine Mischung aus kovalenten und ionischen Bindungen sein. Je ionischer die Bindung, desto wahrscheinlicher bildet das Material eine Wurtzitstruktur. Im Fall vonGaN, führt der große Unterschied in der Elektronegativität zwischen Gallium (Ga) und Stickstoff (N) zu einem signifikanten ionischen Charakter in der Bindung. Infolge,GaNkristallisiert typischerweise in der Wurtzitstruktur, die für ihre hohe thermische Stabilität und Beständigkeit gegen chemische Korrosion bekannt ist.

Vorteile vonGaNIm Vergleich zu früheren Halbleitermaterialien

Im Vergleich zu Halbleitermaterialien der ersten und zweiten GenerationGaNbietet mehrere Vorteile, die es besonders für hochmoderne Anwendungen attraktiv machen. Einer der bedeutendsten Vorteile ist die große Bandlücke, die es GaN-basierten Geräten ermöglicht, bei höheren Spannungen und Temperaturen zu arbeiten, ohne auszufallen. Dies macht GaN zu einem hervorragenden Material für die Leistungselektronik, bei der Effizienz und Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus hat GaN eine niedrigere Dielektrizitätskonstante, was dazu beiträgt, die Kapazität zu reduzieren und schnellere Schaltgeschwindigkeiten in Transistoren zu ermöglichen.

GaNverfügt außerdem über eine höhere kritische elektrische Feldstärke, sodass Geräte größere elektrische Felder bewältigen können, ohne dass es zu Ausfällen kommt. Dies ist besonders wichtig bei Hochleistungsanwendungen, bei denen die Fähigkeit, hohe Spannungen und Ströme zu bewältigen, von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus trägt die hohe Elektronenmobilität von GaN zu seiner Eignung für Hochfrequenzanwendungen wie HF- und Mikrowellengeräte bei. Die Kombination dieser Eigenschaften – hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Strahlungshärte – macht GaN zu einem vielseitigen Material, das in der nächsten Generation elektronischer Geräte eine entscheidende Rolle spielen wird.

GaNin modernen Anwendungen und Zukunftsaussichten

Die einzigartigen Eigenschaften vonGaNhaben bereits begonnen, mehrere Branchen zu revolutionieren. In der Unterhaltungselektronik erfreuen sich Schnellladegeräte auf GaN-Basis aufgrund ihrer Effizienz und kompakten Größe im Vergleich zu herkömmlichen Ladegeräten auf Siliziumbasis immer größerer Beliebtheit. Im Bereich der Telekommunikation wird GaN zur Entwicklung von Hochfrequenztransistoren eingesetzt, die für 5G-Netzwerke und darüber hinaus unerlässlich sind. Auch die Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsbranche erforscht das Potenzial von GaN für den Einsatz in Hochleistungsradar- und Kommunikationssystemen, wo seine Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu funktionieren, von unschätzbarem Wert ist.