Introduzione al semiconduttore GaN di terza generazione e alla relativa tecnologia epitassiale

1. Semiconduttori di terza generazione

La tecnologia dei semiconduttori di prima generazione è stata sviluppata sulla base di materiali semiconduttori come Si e Ge. Costituisce la base materiale per lo sviluppo dei transistor e della tecnologia dei circuiti integrati. I materiali semiconduttori della prima generazione hanno gettato le basi per l'industria elettronica nel 20° secolo e rappresentano i materiali di base per la tecnologia dei circuiti integrati.

I materiali semiconduttori di seconda generazione comprendono principalmente arseniuro di gallio, fosfuro di indio, fosfuro di gallio, arseniuro di indio, arseniuro di alluminio e i loro composti ternari. I materiali semiconduttori di seconda generazione costituiscono il fondamento dell'industria dell'informazione optoelettronica. Su questa base sono state sviluppate industrie correlate come l’illuminazione, i display, il laser e il fotovoltaico. Sono ampiamente utilizzati nella tecnologia informatica contemporanea e nelle industrie dei display optoelettronici.

I materiali rappresentativi dei materiali semiconduttori di terza generazione includono nitruro di gallio e carburo di silicio. Grazie all'ampio intervallo di banda, all'elevata velocità di deriva della saturazione degli elettroni, all'elevata conduttività termica e all'elevata intensità del campo di rottura, sono materiali ideali per la preparazione di dispositivi elettronici ad alta densità di potenza, alta frequenza e basse perdite. Tra questi, i dispositivi di potenza in carburo di silicio presentano i vantaggi di un'elevata densità di energia, un basso consumo energetico e dimensioni ridotte e hanno ampie prospettive di applicazione nei veicoli a nuova energia, nel fotovoltaico, nel trasporto ferroviario, nei big data e in altri campi. I dispositivi RF al nitruro di gallio presentano i vantaggi di alta frequenza, alta potenza, ampia larghezza di banda, basso consumo energetico e dimensioni ridotte e hanno ampie prospettive di applicazione nelle comunicazioni 5G, nell'Internet delle cose, nei radar militari e in altri campi. Inoltre, i dispositivi di potenza basati sul nitruro di gallio sono stati ampiamente utilizzati nel campo della bassa tensione. Inoltre, negli ultimi anni, si prevede che i materiali emergenti a base di ossido di gallio costituiranno una complementarità tecnica con le tecnologie SiC e GaN esistenti e avranno potenziali prospettive di applicazione nei campi a bassa frequenza e ad alta tensione.

Rispetto ai materiali semiconduttori di seconda generazione, i materiali semiconduttori di terza generazione hanno una larghezza di banda proibita più ampia (la larghezza di banda proibita del Si, un materiale tipico del materiale semiconduttore di prima generazione, è di circa 1,1 eV, la larghezza di banda proibita del GaAs, un tipico materiale semiconduttore materiale del materiale semiconduttore di seconda generazione, è di circa 1,42 eV, e la larghezza di banda proibita del GaN, un materiale tipico del materiale semiconduttore di terza generazione materiale, è superiore a 2,3 eV), maggiore resistenza alle radiazioni, maggiore resistenza alla rottura del campo elettrico e maggiore resistenza alla temperatura. I materiali semiconduttori di terza generazione con un'ampiezza di banda proibita più ampia sono particolarmente adatti per la produzione di dispositivi elettronici resistenti alle radiazioni, ad alta frequenza, ad alta potenza e ad alta densità di integrazione. Le loro applicazioni nei dispositivi a radiofrequenza a microonde, LED, laser, dispositivi di potenza e altri campi hanno attirato molta attenzione e hanno mostrato ampie prospettive di sviluppo nelle comunicazioni mobili, nelle reti intelligenti, nel trasporto ferroviario, nei veicoli a nuova energia, nell'elettronica di consumo e nelle tecnologie ultraviolette e blu. -dispositivi a luce verde [1].