GaN монокристалы

Жартылай өткізгіштер технологиясы біздің өмір сүру, жұмыс істеу және әлеммен әрекеттесу жолын түбегейлі өзгертетін заманауи өркениеттің тірегі болды. Ол ақпараттық технологиялар, энергетика, телекоммуникациялар және денсаулық сақтауды қоса алғанда, әртүрлі салаларда бұрын-соңды болмаған жетістіктерге қол жеткізді. Смартфондарымыз бен компьютерлерімізді қуаттандыратын микропроцессорлардан бастап, медициналық құрылғылардағы сенсорларға және жаңартылатын энергия жүйелеріндегі қуат электроникасына дейін жартылай өткізгіштер өткен ғасырдағы барлық дерлік технологиялық жаңалықтардың өзегі болып табылады.

Жартылай өткізгіштердің бірінші буыны: германий және кремний

Жартылай өткізгіштер технологиясының тарихы жартылай өткізгіштердің бірінші буынынан, ең алдымен германий (Ge) және кремнийден (Si) басталды. Бұл материалдар элементтік жартылай өткізгіштер, яғни олар бір элементтен тұрады. Кремний, атап айтқанда, оның көптігі, үнемділігі және тамаша электронды қасиеттеріне байланысты ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш материал болды. Кремний негізіндегі технология ондаған жылдар бойы жетілді, бұл қазіргі заманғы электрониканың негізін құрайтын интегралдық схемалардың (IC) дамуына әкелді. Кремнийдің тұрақты және жоғары сапалы оксид қабатын (кремний диоксиді) қалыптастыру қабілеті көптеген цифрлық электрониканың құрылыс блоктары болып табылатын металл-оксидті-жартылай өткізгіш (MOS) құрылғыларының табыстылығының маңызды факторы болды.

Жартылай өткізгіштердің екінші буыны: галлий арсениді және индий фосфиді

Технология дамыған сайын кремнийдің шектеулері, әсіресе жоғары жылдамдықты және жоғары жиілікті қолданбаларда айқын болды. Бұл галлий арсениді (GaAs) және индий фосфиді (InP) сияқты құрама жартылай өткізгіштерді қамтитын жартылай өткізгіштердің екінші буынының дамуына әкелді. Бұл материалдар жоғары электрондардың қозғалғыштығымен және тікелей диапазонымен танымал, бұл оларды жарық диодтары (жарық диодтар), лазерлік диодтар және жоғары жиілікті транзисторлар сияқты оптоэлектрондық құрылғылар үшін өте қолайлы етеді. Мысалы, GaAs микротолқынды және миллиметрлік толқынды байланыс жүйелерінде, сондай-ақ спутниктік және радиолокациялық технологияларда кеңінен қолданылады. Артықшылықтарына қарамастан, GaAs және InP-ті кеңінен қолдану жоғары шығындар мен өндірістегі қиындықтарға байланысты шектелді.

Жартылай өткізгіштердің үшінші буыны:Кремний карбидіжәнеГалий нитриді

Соңғы жылдары жартылай өткізгіштердің үшінші буынына баса назар аударылды, оның ішінде материалдар баркремний карбиді (SiC)жәнегалий нитриді (GaN). Бұл материалдар кең диапазонға ие, яғни олар алдыңғыларға қарағанда жоғары кернеулерде, температураларда және жиіліктерде жұмыс істей алады.GaN, атап айтқанда, 3,4 эВ кең диапазонды, жоғары электрондардың қозғалғыштығын, жоғары ыдырау кернеуін және тамаша жылу өткізгіштігін қоса алғанда, оның ерекше қасиеттері үшін айтарлықтай назар аударды. Бұл сипаттамалар жасайдыGaNжылдам зарядтағыштар, қуатты транзисторлар және радиожиілік (РЖ) микротолқынды құрылғылар сияқты жоғары қуатты және жоғары жиілікті қолданбаларға тамаша үміткер.

Кристалл құрылымы және байланысGaN

GaNпериодтық жүйенің ІІІ (мысалы, галлий) және V тобындағы (мысалы, азот) элементтерден тұратын құрама жартылай өткізгіштердің III-V тобына жатады. Кристалл құрылымыGaNекі негізгі формада болуы мүмкін: алтыбұрышты вурцит және текше сфалерит. Құрылатын кристалдық құрылымның түріне атомдар арасындағы химиялық байланыстардың табиғаты әсер етеді. Жартылай өткізгіш қосылыстарда байланыс ковалентті және иондық байланыстардың қоспасы болуы мүмкін. Неғұрлым иондық байланыс болса, соғұрлым материалдың вурцит құрылымын түзу ықтималдығы жоғары болады. ЖағдайдаGaN, галий (Ga) мен азот (N) арасындағы электртерістігінің үлкен айырмашылығы байланыста айтарлықтай иондық сипатқа әкеледі. Болғандықтан,GaNәдетте жоғары термиялық тұрақтылығымен және химиялық коррозияға төзімділігімен белгілі вурцит құрылымында кристалданады.

артықшылықтарыGaNБұрынғы жартылай өткізгіш материалдар

Бірінші және екінші буындағы жартылай өткізгіш материалдармен салыстырғанда,GaNалдыңғы қатарлы қолданбалар үшін оны әсіресе тартымды ететін бірнеше артықшылықтарды ұсынады. Ең маңызды артықшылықтардың бірі - GaN негізіндегі құрылғыларға жоғары кернеулер мен температураларда бұзылмай жұмыс істеуге мүмкіндік беретін кең диапазон. Бұл GaN-ті тиімділік пен жылуды басқару маңызды мәселелер болып табылатын қуат электроникасы үшін тамаша материал етеді. Сонымен қатар, GaN төмен диэлектрлік өтімділікке ие, ол сыйымдылықты азайтуға және транзисторларда жылдамырақ ауысу жылдамдығын қосуға көмектеседі.

GaNСондай-ақ құрылғыларға үлкен электр өрістерін ақаусыз өңдеуге мүмкіндік беретін жоғары критикалық электр өрісінің күшімен мақтана алады. Бұл әсіресе жоғары кернеулер мен токтарды басқару мүмкіндігі өте маңызды болатын жоғары қуатты қолданбаларда маңызды. Сонымен қатар, GaN электрондарының жоғары қозғалғыштығы оның RF және микротолқынды құрылғылар сияқты жоғары жиілікті қолданбаларға жарамдылығына ықпал етеді. Осы қасиеттердің үйлесімі — жоғары жылу өткізгіштік, жоғары температураға төзімділік және радиацияның қаттылығы — GaN электронды құрылғылардың келесі буынында шешуші рөл атқаратын әмбебап материалға айналдырады.

GaNҚазіргі заманғы қолданбалар және болашақ перспективалар

Бірегей қасиеттеріGaNбірнеше салаларда төңкеріс жасай бастады. Тұрмыстық электроникада GaN негізіндегі жылдам зарядтағыштар дәстүрлі кремний негізіндегі зарядтағыштармен салыстырғанда тиімділігі мен ықшам өлшеміне байланысты барған сайын танымал болып келеді. Телекоммуникация саласында GaN 5G желілері үшін және одан тыс жерлерде маңызды болып табылатын жоғары жиілікті транзисторларды жасау үшін қолданылады. Аэроғарыш және қорғаныс секторлары сонымен қатар GaN-тің экстремалды жағдайларда жұмыс істеу қабілеті баға жетпес қуатты радарлар мен байланыс жүйелерінде пайдалану мүмкіндігін зерттейді.