Einführung in die Halbleitertechnologie der dritten Generation GaN und verwandte Epitaxietechnologien

1. Halbleiter der dritten Generation

Die Halbleitertechnologie der ersten Generation basierte auf Halbleitermaterialien wie Silizium (Si) und Germanium (Ge). Sie bildete die materielle Grundlage für die Entwicklung von Transistoren und integrierten Schaltungen. Die Halbleitermaterialien der ersten Generation legten den Grundstein für die Elektronikindustrie des 20. Jahrhunderts und sind die Basismaterialien für die Technologie integrierter Schaltungen.

Zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation zählen hauptsächlich Galliumarsenid, Indiumphosphid, Aluminiumarsenid und deren ternäre Verbindungen. Sie bilden die Grundlage der optoelektronischen Informationsindustrie. Auf dieser Basis haben sich verwandte Branchen wie Beleuchtung, Displaytechnik, Lasertechnik und Photovoltaik entwickelt. Sie finden breite Anwendung in der modernen Informationstechnologie und der optoelektronischen Displayindustrie.

Zu den repräsentativen Halbleitermaterialien der dritten Generation zählen Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Aufgrund ihrer großen Bandlücke, hohen Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen, hohen Wärmeleitfähigkeit und hohen Durchbruchfeldstärke eignen sie sich ideal für die Herstellung von elektronischen Bauelementen mit hoher Leistungsdichte, hoher Frequenz und geringen Verlusten. Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter zeichnen sich durch hohe Energiedichte, geringen Energieverbrauch und geringe Größe aus und bieten vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Elektromobilität, Photovoltaik, Schienenverkehr und Big Data. Galliumnitrid-HF-Bauelemente bieten Vorteile wie hohe Frequenz, hohe Leistung, große Bandbreite, geringen Stromverbrauch und geringe Größe und eignen sich für Anwendungen in der 5G-Kommunikation, im Internet der Dinge, in militärischen Radarsystemen und anderen Bereichen. Darüber hinaus finden Galliumnitrid-basierte Leistungshalbleiter breite Anwendung im Niederspannungsbereich. In den letzten Jahren wurde zudem erwartet, dass neuartige Galliumoxid-Materialien die bestehenden SiC- und GaN-Technologien technisch ergänzen und vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten im Niederfrequenz- und Hochspannungsbereich bieten.

Im Vergleich zu Halbleitermaterialien der zweiten Generation weisen Halbleitermaterialien der dritten Generation eine größere Bandlücke auf (die Bandlücke von Silizium, einem typischen Material der ersten Generation, beträgt etwa 1,1 eV, die von Galliumarsenid, einem typischen Material der zweiten Generation, etwa 1,42 eV und die von Galliumnitrid, einem typischen Material der dritten Generation, über 2,3 eV). Sie zeichnen sich außerdem durch eine höhere Strahlungsbeständigkeit, eine höhere Beständigkeit gegen elektrische Felddurchschläge und eine höhere Temperaturbeständigkeit aus. Halbleitermaterialien der dritten Generation mit größerer Bandlücke eignen sich besonders für die Herstellung strahlungsresistenter, hochfrequenter, leistungsstarker und hochintegrierter elektronischer Bauelemente. Ihre Anwendungen in Mikrowellen-Hochfrequenzgeräten, LEDs, Lasern, Leistungselektronik und anderen Bereichen haben großes Interesse geweckt und bieten vielversprechende Entwicklungsperspektiven in der Mobilkommunikation, in intelligenten Stromnetzen, im Schienenverkehr, in Elektrofahrzeugen, in der Unterhaltungselektronik sowie in UV- und Blaugrünlichtgeräten [1].