GaN cristallo singolo

La tecnologia dei semiconduttori è stata la spina dorsale della civiltà moderna, trasformando radicalmente il modo in cui viviamo, lavoriamo e interagiamo con il mondo. Ha consentito progressi senza precedenti in vari campi, tra cui la tecnologia dell’informazione, l’energia, le telecomunicazioni e la sanità. Dai microprocessori che alimentano i nostri smartphone e computer, ai sensori nei dispositivi medici e all’elettronica di potenza nei sistemi di energia rinnovabile, i semiconduttori sono al centro di quasi tutte le innovazioni tecnologiche del secolo scorso.

Prima Generazione di Semiconduttori: Germanio e Silicio

La storia della tecnologia dei semiconduttori è iniziata con la prima generazione di semiconduttori, principalmente germanio (Ge) e silicio (Si). Questi materiali sono semiconduttori elementari, nel senso che sono composti da un singolo elemento. Il silicio, in particolare, è stato il materiale semiconduttore più utilizzato grazie alla sua abbondanza, al suo rapporto costo-efficacia e alle eccellenti proprietà elettroniche. La tecnologia basata sul silicio è maturata nel corso di decenni, portando allo sviluppo di circuiti integrati (CI) che costituiscono la base dell'elettronica moderna. La capacità del silicio di formare uno strato di ossido stabile e di alta qualità (biossido di silicio) è stato un fattore critico per il successo dei dispositivi a semiconduttore a ossido di metallo (MOS), che sono gli elementi costitutivi della maggior parte dell’elettronica digitale.

Seconda generazione di semiconduttori: arseniuro di gallio e fosfuro di indio

Con l'evoluzione della tecnologia, i limiti del silicio sono diventati evidenti, in particolare nelle applicazioni ad alta velocità e ad alta frequenza. Ciò ha portato allo sviluppo della seconda generazione di semiconduttori, che comprende semiconduttori composti come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di indio (InP). Questi materiali sono noti per la loro mobilità elettronica superiore e il bandgap diretto, che li rendono ideali per dispositivi optoelettronici come diodi emettitori di luce (LED), diodi laser e transistor ad alta frequenza. Il GaAs, ad esempio, è ampiamente utilizzato nei sistemi di comunicazione a microonde e a onde millimetriche, nonché nelle tecnologie satellitari e radar. Nonostante i loro vantaggi, l’adozione diffusa di GaAs e InP è stata limitata a causa dei costi più elevati e delle sfide nella produzione.

Terza generazione di semiconduttori:Carburo di silicioENitruro di gallio

Negli ultimi anni, l'attenzione si è spostata sulla terza generazione di semiconduttori, che comprende materiali comecarburo di silicio (SiC)Enitruro di gallio (GaN). Questi materiali possiedono un ampio intervallo di banda, il che significa che possono funzionare a tensioni, temperature e frequenze più elevate rispetto ai loro predecessori.GaN, in particolare, ha attirato un'attenzione significativa per le sue eccezionali proprietà, tra cui un ampio intervallo di banda di 3,4 eV, elevata mobilità degli elettroni, elevata tensione di rottura ed eccellente conduttività termica. Queste caratteristiche fannoGaNun candidato ideale per applicazioni ad alta potenza e alta frequenza, come caricabatterie rapidi, transistor di potenza e dispositivi a microonde a radiofrequenza (RF).

Struttura cristallina e legameGaN

GaNappartiene al gruppo III-V dei semiconduttori composti, che sono composti da elementi del gruppo III (ad esempio gallio) e del gruppo V (ad esempio azoto) della tavola periodica. La struttura cristallina diGaNpuò esistere in due forme primarie: wurtzite esagonale e sfalerite cubica. Il tipo di struttura cristallina che si forma è influenzata dalla natura dei legami chimici tra gli atomi. Nei composti semiconduttori, il legame può essere un mix di legami covalenti e ionici. Più il legame è ionico, più è probabile che il materiale formi una struttura wurtzite. In caso diGaN, la grande differenza di elettronegatività tra gallio (Ga) e azoto (N) porta ad un carattere ionico significativo nel legame. Di conseguenza,GaNtipicamente cristallizza nella struttura della wurtzite, nota per la sua elevata stabilità termica e resistenza alla corrosione chimica.

Vantaggi diGaNRispetto ai materiali semiconduttori precedenti

Rispetto ai materiali semiconduttori di prima e seconda generazione,GaNoffre numerosi vantaggi che lo rendono particolarmente interessante per applicazioni all’avanguardia. Uno dei vantaggi più significativi è l'ampio gap di banda, che consente ai dispositivi basati su GaN di funzionare a tensioni e temperature più elevate senza guasti. Ciò rende il GaN un materiale eccellente per l’elettronica di potenza, dove l’efficienza e la gestione termica sono aspetti critici. Inoltre, il GaN ha una costante dielettrica inferiore, contribuendo a ridurre la capacità e a consentire velocità di commutazione più elevate nei transistor.

GaNvanta anche un'intensità del campo elettrico critico più elevata, consentendo ai dispositivi di gestire campi elettrici più ampi senza subire guasti. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni ad alta potenza, dove la capacità di gestire tensioni e correnti elevate è essenziale. Inoltre, l’elevata mobilità degli elettroni del GaN contribuisce alla sua idoneità per applicazioni ad alta frequenza, come dispositivi RF e a microonde. La combinazione di queste proprietà (elevata conduttività termica, resistenza alle alte temperature e durezza alle radiazioni) rende il GaN un materiale versatile, pronto a svolgere un ruolo cruciale nella prossima generazione di dispositivi elettronici.

GaNin applicazioni moderne e prospettive future

Le proprietà uniche diGaNhanno già iniziato a rivoluzionare diversi settori. Nell'elettronica di consumo, i caricabatterie rapidi basati su GaN stanno diventando sempre più popolari grazie alla loro efficienza e alle dimensioni compatte rispetto ai tradizionali caricabatterie a base di silicio. Nel campo delle telecomunicazioni, il GaN viene utilizzato per sviluppare transistor ad alta frequenza essenziali per le reti 5G e oltre. Anche i settori aerospaziale e della difesa stanno esplorando il potenziale del GaN per l’uso nei radar e nei sistemi di comunicazione ad alta potenza, dove la sua capacità di operare in condizioni estreme è inestimabile.