Tinh thể đơn GaN

Công nghệ bán dẫn là xương sống của nền văn minh hiện đại, thay đổi căn bản cách chúng ta sống, làm việc và tương tác với thế giới. Nó đã tạo ra những tiến bộ chưa từng có trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm công nghệ thông tin, năng lượng, viễn thông và chăm sóc sức khỏe. Từ bộ vi xử lý cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh và máy tính của chúng ta, đến cảm biến trong thiết bị y tế và điện tử công suất trong hệ thống năng lượng tái tạo, chất bán dẫn là cốt lõi của hầu hết mọi đổi mới công nghệ trong thế kỷ qua.

Thế hệ chất bán dẫn đầu tiên: Germanium và Silicon

Lịch sử của công nghệ bán dẫn bắt đầu với thế hệ chất bán dẫn đầu tiên, chủ yếu là germanium (Ge) và silicon (Si). Những vật liệu này là chất bán dẫn nguyên tố, nghĩa là chúng bao gồm một phần tử duy nhất. Đặc biệt, silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất do tính phong phú, hiệu quả về chi phí và các đặc tính điện tử tuyệt vời của nó. Công nghệ dựa trên silicon đã phát triển qua nhiều thập kỷ, dẫn đến sự phát triển của các mạch tích hợp (IC) tạo thành nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại. Khả năng tạo thành lớp oxit ổn định và chất lượng cao (silicon dioxide) của silicon là yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công của các thiết bị bán dẫn oxit kim loại (MOS), vốn là nền tảng của hầu hết các thiết bị điện tử kỹ thuật số.

Thế hệ chất bán dẫn thứ hai: Gallium Arsenide và Indium Phosphide

Khi công nghệ phát triển, những hạn chế của silicon trở nên rõ ràng, đặc biệt trong các ứng dụng tốc độ cao và tần số cao. Điều này dẫn đến sự phát triển của thế hệ chất bán dẫn thứ hai, bao gồm các chất bán dẫn phức hợp như gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP). Những vật liệu này được biết đến với độ linh động điện tử vượt trội và dải cấm trực tiếp, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị quang điện tử như điốt phát sáng (LED), điốt laser và bóng bán dẫn tần số cao. Ví dụ, GaAs được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vi sóng và sóng milimet cũng như trong các công nghệ vệ tinh và radar. Bất chấp những lợi thế của chúng, việc áp dụng rộng rãi GaAs và InP vẫn còn hạn chế do chi phí cao hơn và những thách thức trong sản xuất.

Thế hệ chất bán dẫn thứ ba:cacbua silicVàGallium Nitrat

Trong những năm gần đây, trọng tâm đã chuyển sang thế hệ chất bán dẫn thứ ba, bao gồm các vật liệu nhưcacbua silic (SiC)Vàgali nitrua (GaN). Những vật liệu này có dải tần rộng, nghĩa là chúng có thể hoạt động ở điện áp, nhiệt độ và tần số cao hơn so với các vật liệu trước đó.GaNđặc biệt, đã thu hút được sự chú ý đáng kể nhờ các đặc tính đặc biệt của nó, bao gồm dải rộng 3,4 eV, độ linh động của điện tử cao, điện áp đánh thủng cao và độ dẫn nhiệt tuyệt vời. Những đặc điểm này làm choGaNmột ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao và tần số cao, chẳng hạn như bộ sạc nhanh, bóng bán dẫn điện và thiết bị vi sóng tần số vô tuyến (RF).

Cấu trúc tinh thể và liên kết trongGaN

GaNthuộc nhóm chất bán dẫn hỗn hợp III-V, bao gồm các nguyên tố thuộc nhóm III (ví dụ: gali) và nhóm V (ví dụ: nitơ) của bảng tuần hoàn. Cấu trúc tinh thể củaGaNcó thể tồn tại ở hai dạng chính: wurtzite lục giác và sphalerit khối. Loại cấu trúc tinh thể hình thành bị ảnh hưởng bởi bản chất của liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Trong các hợp chất bán dẫn, liên kết có thể là sự kết hợp của liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Liên kết càng nhiều ion thì vật liệu càng có khả năng hình thành cấu trúc wurtzite. Trong trường hợp củaGaN, sự khác biệt lớn về độ âm điện giữa gali (Ga) và nitơ (N) dẫn đến tính chất ion đáng kể trong liên kết. Kết quả là,GaNthường kết tinh trong cấu trúc wurtzite, được biết đến với độ ổn định nhiệt cao và khả năng chống ăn mòn hóa học.

Ưu điểm củaGaNVề vật liệu bán dẫn trước đây

So với vật liệu bán dẫn thế hệ thứ nhất và thứ hai,GaNcung cấp một số lợi thế khiến nó đặc biệt hấp dẫn đối với các ứng dụng tiên tiến. Một trong những lợi ích đáng kể nhất là băng thông rộng, cho phép các thiết bị dựa trên GaN hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao hơn mà không bị hỏng. Điều này làm cho GaN trở thành vật liệu tuyệt vời cho điện tử công suất, trong đó hiệu suất và quản lý nhiệt là mối quan tâm hàng đầu. Ngoài ra, GaN có hằng số điện môi thấp hơn, giúp giảm điện dung và cho phép tốc độ chuyển mạch nhanh hơn trong bóng bán dẫn.

GaNcũng tự hào có cường độ điện trường tới hạn cao hơn, cho phép các thiết bị xử lý điện trường lớn hơn mà không gặp sự cố. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công suất cao, nơi khả năng quản lý điện áp và dòng điện cao là rất cần thiết. Hơn nữa, độ linh động điện tử cao của GaN góp phần tạo nên sự phù hợp của nó cho các ứng dụng tần số cao, chẳng hạn như các thiết bị RF và vi sóng. Sự kết hợp của những đặc tính này—độ dẫn nhiệt cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và độ cứng bức xạ—làm cho GaN trở thành vật liệu linh hoạt, sẵn sàng đóng vai trò quan trọng trong thế hệ thiết bị điện tử tiếp theo.

GaNtrong các ứng dụng hiện đại và triển vọng trong tương lai

Những đặc tính độc đáo củaGaNđã bắt đầu cách mạng hóa một số ngành công nghiệp. Trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bộ sạc nhanh dựa trên GaN đang ngày càng trở nên phổ biến do hiệu quả và kích thước nhỏ gọn so với bộ sạc dựa trên silicon truyền thống. Trong lĩnh vực viễn thông, GaN đang được sử dụng để phát triển các bóng bán dẫn tần số cao cần thiết cho mạng 5G và hơn thế nữa. Các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng cũng đang khám phá tiềm năng của GaN để sử dụng trong các hệ thống liên lạc và radar công suất cao, nơi khả năng hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt của nó là vô giá.