GaN単結晶

半導体技術は現代文明の根幹であり、私たちの生活、仕事、世界との関わり方を根本的に変えてきました。情報技術、エネルギー、電気通信、ヘルスケアなどのさまざまな分野で前例のない進歩を可能にしました。スマートフォンやコンピュータに電力を供給するマイクロプロセッサから、医療機器のセンサー、再生可能エネルギー システムのパワー エレクトロニクスに至るまで、半導体は過去 1 世紀のほぼすべての技術革新の中核です。

第一世代の半導体: ゲルマニウムとシリコン

半導体技術の歴史は、主にゲルマニウム (Ge) とシリコン (Si) である第一世代の半導体から始まりました。これらの材料は元素半導体であり、単一元素で構成されています。特にシリコンは、その豊富さ、コスト効率、優れた電子特性により、最も広く使用されている半導体材料です。シリコンベースの技術は数十年にわたって成熟し、現代のエレクトロニクスの基礎を形成する集積回路 (IC) の開発につながりました。安定した高品質の酸化物層 (二酸化ケイ素) を形成するシリコンの能力は、ほとんどのデジタル エレクトロニクスの構成要素である金属酸化膜半導体 (MOS) デバイスの成功にとって重要な要素です。

第 2 世代の半導体: ガリウムヒ素とインジウムリン

テクノロジーが進化するにつれて、特に高速および高周波数のアプリケーションにおいて、シリコンの限界が明らかになりました。これは、ガリウムヒ素 (GaAs) やリン化インジウム (InP) などの化合物半導体を含む第 2 世代の半導体の開発につながりました。これらの材料は、優れた電子移動度とダイレクトバンドギャップで知られており、発光ダイオード (LED)、レーザーダイオード、高周波トランジスタなどの光電子デバイスに最適です。たとえば、GaAs は、衛星やレーダー技術だけでなく、マイクロ波やミリ波の通信システムでも広く使用されています。 GaAs と InP は、その利点にもかかわらず、コストの高さと製造上の課題により、広範な採用が制限されてきました。

第 3 世代の半導体:炭化ケイ素そして窒化ガリウム

近年では、次のような材料を含む第 3 世代半導体に焦点が移ってきています。炭化ケイ素（SiC）そして窒化ガリウム（GaN）。これらの材料は広いバンドギャップを持っており、これまでのものよりも高い電圧、温度、周波数で動作できることを意味します。GaN特に、3.4 eVの広いバンドギャップ、高い電子移動度、高い降伏電圧、優れた熱伝導性などの優れた特性により大きな注目を集めています。これらの特性により、GaN急速充電器、パワー トランジスタ、高周波 (RF) マイクロ波デバイスなどの大電力および高周波アプリケーションに最適な候補です。

結晶構造と結合GaN

GaN化合物半導体の III-V 族に属し、周期表の III 族 (ガリウムなど) と V 族 (窒素など) の元素で構成されます。の結晶構造GaN六方晶系ウルツ鉱と立方晶閃亜鉛鉱という 2 つの主要な形態で存在できます。形成される結晶構造の種類は、原子間の化学結合の性質に影響されます。半導体化合物では、結合は共有結合とイオン結合の混合である場合があります。結合のイオン性が高いほど、材料はウルツ鉱構造を形成する可能性が高くなります。の場合GaN、ガリウム (Ga) と窒素 (N) の電気陰性度の大きな違いにより、結合に重要なイオン特性が生じます。結果として、GaN通常、ウルツ鉱構造で結晶化します。これは、高い熱安定性と化学的腐食に対する耐性で知られています。

の利点GaN以前の半導体材料を超える

第一世代および第二世代の半導体材料と比較して、GaNには、最先端のアプリケーションにとって特に魅力的ないくつかの利点があります。最も重要な利点の 1 つは、その広いバンドギャップにより、GaN ベースのデバイスが故障することなく、より高い電圧と温度で動作できることです。このため、GaN は、効率と熱管理が重要な懸念事項となるパワー エレクトロニクスにとって優れた材料となっています。さらに、GaN は誘電率が低いため、静電容量が低減され、トランジスタのスイッチング速度が向上します。

GaNまた、より高い臨界電界強度を誇り、デバイスが故障することなくより大きな電界を処理できるようになります。これは、高電圧と高電流を管理する能力が不可欠な高電力アプリケーションでは特に重要です。さらに、GaN の高い電子移動度は、RF やマイクロ波デバイスなどの高周波アプリケーションへの適合性に貢献します。 GaN は、高い熱伝導率、高温耐性、放射線耐性といったこれらの特性の組み合わせにより、次世代の電子デバイスで重要な役割を果たす準備ができている多用途の材料となっています。

GaN最新のアプリケーションと将来の展望

のユニークな特性GaNすでにいくつかの業界に革命を起こし始めています。家庭用電化製品では、従来のシリコンベースの充電器と比較して、その効率性とコンパクトなサイズにより、GaN ベースの急速充電器の人気が高まっています。電気通信の分野では、GaN は 5G ネットワーク以降に不可欠な高周波トランジスタの開発に使用されています。航空宇宙および防衛分野でも、極限条件下で動作する能力が非常に貴重な高出力レーダーおよび通信システムでの GaN の使用の可能性を模索しています。