GaN คริสตัลเดี่ยว

เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เป็นกระดูกสันหลังของอารยธรรมยุคใหม่ ซึ่งเปลี่ยนแปลงพื้นฐานการใช้ชีวิต ทำงาน และโต้ตอบกับโลกของเรา ได้ทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในด้านต่างๆ รวมถึงเทคโนโลยีสารสนเทศ พลังงาน โทรคมนาคม และการดูแลสุขภาพ ตั้งแต่ไมโครโปรเซสเซอร์ที่จ่ายพลังงานให้กับสมาร์ทโฟนและคอมพิวเตอร์ของเรา ไปจนถึงเซ็นเซอร์ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในระบบพลังงานหมุนเวียน เซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นแกนหลักของนวัตกรรมทางเทคโนโลยีเกือบทุกรายการในศตวรรษที่ผ่านมา

อุปกรณ์กึ่งตัวนำรุ่นแรก: เจอร์เมเนียมและซิลิคอน

ประวัติความเป็นมาของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เริ่มต้นจากเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก โดยหลักๆ คือเจอร์เมเนียม (Ge) และซิลิคอน (Si) วัสดุเหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำที่เป็นองค์ประกอบ ซึ่งหมายความว่าประกอบด้วยองค์ประกอบเดียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด เนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์ ความคุ้มค่า และคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีเยี่ยม เทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอนได้รับการพัฒนามานานหลายทศวรรษ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาวงจรรวม (IC) ที่เป็นรากฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ความสามารถของซิลิคอนในการสร้างชั้นออกไซด์ที่เสถียรและมีคุณภาพสูง (ซิลิคอนไดออกไซด์) เป็นปัจจัยสำคัญในความสำเร็จของอุปกรณ์เมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลส่วนใหญ่

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง: แกลเลียมอาร์เซไนด์และอินเดียมฟอสไฟด์

เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น ข้อจำกัดของซิลิคอนก็ปรากฏชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีความเร็วสูงและความถี่สูง สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง ซึ่งรวมถึงเซมิคอนดักเตอร์ผสม เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) วัสดุเหล่านี้ขึ้นชื่อในด้านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เหนือกว่าและแถบความถี่โดยตรง ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ไดโอดเปล่งแสง (LED) ไดโอดเลเซอร์ และทรานซิสเตอร์ความถี่สูง ตัวอย่างเช่น GaAs ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร เช่นเดียวกับในเทคโนโลยีดาวเทียมและเรดาร์ แม้จะมีข้อได้เปรียบ แต่การนำ GaAs และ InP มาใช้อย่างแพร่หลายนั้นมีจำกัด เนื่องจากต้นทุนที่สูงขึ้นและความท้าทายในการผลิต

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม:ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โฟกัสได้เปลี่ยนไปที่เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ซึ่งรวมถึงวัสดุเช่นซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)- วัสดุเหล่านี้มีแถบความถี่ที่กว้าง ซึ่งหมายความว่าวัสดุเหล่านี้สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และความถี่ที่สูงกว่ารุ่นก่อนๆกานโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ได้รับความสนใจอย่างมากจากคุณสมบัติพิเศษของมัน รวมถึงแถบความถี่กว้างที่ 3.4 eV การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนสูง แรงดันพังทลายสูง และการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ลักษณะเหล่านี้ทำให้กานตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูงและความถี่สูง เช่น เครื่องชาร์จแบบเร็ว ทรานซิสเตอร์กำลัง และอุปกรณ์ไมโครเวฟความถี่วิทยุ (RF)

โครงสร้างผลึกและการยึดเกาะในกาน

กานเป็นของกลุ่มสารกึ่งตัวนำผสมกลุ่ม III-V ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบจากกลุ่ม III (เช่น แกลเลียม) และกลุ่ม V (เช่น ไนโตรเจน) ของตารางธาตุ โครงสร้างผลึกของกานสามารถมีอยู่ได้สองรูปแบบหลัก: เวิร์ตไซต์หกเหลี่ยมและลูกบาศก์สฟาเลอไรต์ ประเภทของโครงสร้างผลึกที่ก่อตัวขึ้นอยู่กับธรรมชาติของพันธะเคมีระหว่างอะตอม ในสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ พันธะอาจเป็นส่วนผสมของพันธะโควาเลนต์และไอออนิก ยิ่งพันธะไอออนิกมาก วัสดุก็จะยิ่งสร้างโครงสร้างเวิร์ตไซต์ได้มากขึ้นเท่านั้น ในกรณีของกานความแตกต่างอย่างมากของอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ระหว่างแกลเลียม (Ga) และไนโตรเจน (N) ทำให้เกิดลักษณะไอออนิกที่มีนัยสำคัญในพันธะ เป็นผลให้กานโดยทั่วไปแล้วจะตกผลึกในโครงสร้างของเวิร์ตไซต์ ซึ่งขึ้นชื่อในเรื่องความเสถียรทางความร้อนสูงและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมี

ข้อดีของกานเหนือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นก่อนหน้า

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกและรุ่นที่สองกานมีข้อดีหลายประการที่ทำให้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่ล้ำหน้า ข้อดีที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือแถบความถี่ที่กว้าง ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้ GaN ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้โดยไม่พัง สิ่งนี้ทำให้ GaN เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ซึ่งประสิทธิภาพและการจัดการความร้อนถือเป็นข้อกังวลที่สำคัญ นอกจากนี้ GaN ยังมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดความจุไฟฟ้าและทำให้เปลี่ยนความเร็วในทรานซิสเตอร์ได้เร็วขึ้น

กานยังมีความแรงของสนามไฟฟ้าวิกฤติที่สูงกว่า ทำให้อุปกรณ์ต่างๆ สามารถรองรับสนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ขึ้นได้โดยไม่เกิดความเสียหาย สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีกำลังสูง ซึ่งความสามารถในการจัดการแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงถือเป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงของ GaN ยังช่วยให้เหมาะสมกับการใช้งานความถี่สูง เช่น อุปกรณ์ RF และไมโครเวฟ การรวมกันของคุณสมบัติเหล่านี้ - การนำความร้อนสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และความแข็งของรังสี - ทำให้ GaN เป็นวัสดุอเนกประสงค์ที่พร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป

กานในการใช้งานสมัยใหม่และอนาคต

คุณสมบัติอันเป็นเอกลักษณ์ของกานได้เริ่มปฏิวัติอุตสาหกรรมหลายอย่างแล้ว ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เครื่องชาร์จแบบเร็วที่ใช้ GaN กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากประสิทธิภาพและขนาดที่กะทัดรัดเมื่อเทียบกับเครื่องชาร์จแบบซิลิคอนแบบดั้งเดิม ในขอบเขตของโทรคมนาคม GaN กำลังถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนาทรานซิสเตอร์ความถี่สูงซึ่งจำเป็นสำหรับเครือข่าย 5G และนอกเหนือจากนั้น ภาคการบินและอวกาศและการป้องกันกำลังสำรวจศักยภาพของ GaN สำหรับการใช้งานในระบบเรดาร์และการสื่อสารกำลังสูง ซึ่งความสามารถในการทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรงนั้นเป็นสิ่งที่ประเมินค่ามิได้