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Was ist das GaN? (3)

Sep 12, 2020

Materialanwendung (GaN)

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Neues elektronisches Gerät

GaN-Materialreihen mit geringer Wärmeerzeugungsrate und hohem elektrischen Durchbruchfeld sind ein wichtiges Material für die Entwicklung elektronischer Hochtemperatur- und Hochleistungsgeräte sowie Hochfrequenz-Mikrowellengeräte.

Mit dem Fortschritt der MBE-Technologie bei der Anwendung von GaN-Materialien und dem Durchbruch der wichtigsten Dünnschichtwachstumstechnologie wurde derzeit eine Vielzahl heterogener GaN-Strukturen erfolgreich gezüchtet.

Neue Vorrichtungen wie Metallfeldeffekttransistor (MESFET), heterogener Sperrschicht-Feldeffekttransistor (HFET) und modulierter dotierter Feldeffekttransistor (MODFET) wurden von GaN hergestellt.

Die modulierte dotierte AlGaN / GaN-Struktur weist eine hohe Elektronenmobilität (2000 cm² / V · s), eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit (1 × 107 cm / s) und eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf, was das bevorzugte Material für Mikrowellenvorrichtungen ist.

Die breite Bandlückenbreite (3,4 EV) von GaN GG, Saphir und anderen Materialien als Substrat sowie eine gute Wärmeableitungsleistung tragen dazu bei, dass das Gerät unter Hochleistungsbedingungen arbeitet.


Photoelektrisches Gerät

Die GaN-Materialreihe ist ein ideales kurz emittierendes lichtemittierendes Vorrichtungsmaterial. Die Bandlücke von GaN und seiner Legierung deckt das Spektrum von Rot bis ULTRAVIOLET ab.

Seit die Japaner 1991 die GaN-Blau-LED mit homogenem Übergang entwickelten, kamen nacheinander InGaN / AlGaN-Superhellblau-LED mit Doppelheteroübergang und InGaN-Einzelquantentopf-GaNLED heraus.

Gegenwärtig sind die blauen und grünen LED-ZN- und 6CD-Einzelquantentopf-GaN in die Massenproduktion eingetreten und füllen damit die Lücke der blauen LED auf dem Markt seit vielen Jahren.

Die Entwicklungshistorie von LED, die durch Lichtausbeute gekennzeichnet ist, ist in Abbildung 3 dargestellt.

Blaulicht emittierende Geräte haben einen riesigen Anwendungsmarkt für Informationszugriff, rein optische Anzeige, Laserdrucker und andere Bereiche von optischen Platten mit hoher Dichte.

Für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu Ⅲ Nitridmaterialien und -geräten ist die GaInN-LED-Technologie mit Superhochblau und grünem Licht im Handel erhältlich. Jetzt haben die großen Unternehmen und Forschungseinrichtungen von&weltweit eine enorme Summe investiert, um daran teilzunehmen die Entwicklung der Blaulicht-LED.

1993 entwickelte Nichia erstmals eine blaue GaInN / AlGaN-Heteroübergangs-LED mit hoher Luminanz und einer Luminanzhelligkeit über LCD unter Verwendung von mit Zn dotiertem GaInN als aktiver Schicht mit einer externen Quanteneffizienz von 2,7% und einer Spitzenwellenlänge von 450 nm und realisierte die Kommerzialisierung von das Produkt.

Im Jahr 1995 startete das Unternehmen auch die optische Ausgangsleistung von 2,0 MW, die Helligkeit der kommerziellen 6-CD-GaN-Grün-LED, die Spitzenwellenlänge 525 nm und die halbe Peakbreite 40 nm.

In jüngerer Zeit hat das Unternehmen mithilfe seiner blauen LED- und Phosphoreszenztechnologie Festlicht emittierende Geräte mit weißem Licht und einer Farbtemperatur von 6500 K und einem Wirkungsgrad von 7,5 Lumen / W eingeführt.

Neben Nichia haben HP, Cree und andere Unternehmen ihre eigenen Blaulicht-LED-Produkte mit hoher Helligkeit auf den Markt gebracht.

Der Markt für LEDs mit hoher Helligkeit wird voraussichtlich von 386 Millionen US-Dollar im Jahr 1998 auf 1 Milliarde US-Dollar im Jahr 2003 steigen.

Zu den Anwendungen von LEDs mit hoher Helligkeit gehören Fahrzeugbeleuchtung, Verkehrssignale und Verkehrszeichen im Freien, flaches Golddisplay, DVD-Speicher mit hoher Dichte, blaugrünes Licht für latente Kommunikation usw.

Nach erfolgreicher Entwicklung - Clannitride sind blaue LEDs - liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung von blauen LED-Geräten mit Nitriden.

Blaulicht-LED hat eine breite Anwendungsperspektive auf dem Gebiet der Messung der optischen Steuerung und der optischen Speicherung von Informationen mit hoher Dichte.

Derzeit ist Nichia weltweit führend auf dem Gebiet der GaN Blue-LEDs, deren kontinuierliche Lebensdauer von 2 mW bei Raumtemperatur 10.000 Stunden übersteigt.

HP hat erfolgreich eine blaue GaInN / AlGaN-Multi-Quantentopf-LED mit geriffeltem Wellenleiter-Brechungsindex auf Saphirbasis entwickelt.

CreeResearch ist das erste Unternehmen, das einen CWRT-Blaulichtlaser auf SiC mit einer transversalen Gerätekonfiguration meldet.

Fujitsu gab nach Nichia, CreeResearch und Unternehmen wie SONY bekannt, dass die Entwicklung eines InGaN-Blaulichtlasers, der Laser bei Raumtemperatur im CW angewendet werden kann, seine Struktur im Wachstum des SiC-Substrats liegt und die vertikale Leitungsstruktur (S. Dies ist der erste Bericht über die vertikale Vorrichtungsstruktur der blauen CW-Laser.

In Bezug auf Detektoren wurde ein GaN-Ultraviolettdetektor mit einer Wellenlänge von 369 nm entwickelt, und seine Reaktionsgeschwindigkeit ist ähnlich der des Si-Detektors.

Die Forschung auf diesem Gebiet steckt jedoch noch in den Kinderschuhen.

Der GaN-Detektor wird wichtige Anwendungen bei der Flammenerkennung, der Raketenwarnung usw. haben.


Die Anwendungsperspektive von GaN Still

Für GaN-Materialien ist die heteroepitaktische Defektdichte ziemlich hoch, da der Substrat-Einkristall seit langer Zeit nicht gelöst wurde, aber das Vorrichtungsniveau war praktisch.

1994 wurden 1200mcD LED vom japanischen subchemischen Institut hergestellt, und 1995 wurden Zcd-Blaulicht (450 nmLED) und Grünlicht 12CD (520 nmLED) hergestellt.

Im Jahr 1998 machte Japan einen Siebenjahresplan für die Entwicklung von LED mit Nitridematerial mit großer Bandlücke. Ziel ist es, eine energiereiche ULTRAVIOLET-LED zu entwickeln, die weißes Licht emittieren kann und bis 2005 in der Leuchtstoffröhre versiegelt ist. Der Stromverbrauch dieser Art weißer LED beträgt nur 1/8 des Verbrauchs einer Glühlampe und die Hälfte davon der Leuchtstofflampe, und ihre Lebensdauer beträgt das 50-fache bis 100-fache der Lebensdauer einer herkömmlichen Leuchtstofflampe.

Dies zeigt, dass die Entwicklung von GaN-Material recht erfolgreich war und in die praktische Phase eingetreten ist.

Die Erzeugung von InGaN-Legierungen, InGaN / AlGaN-Doppelübergangs-LED, InGaN-Einzelquantentopf-LED und InGaN-Mehrfachquantentopf-LED wurde erfolgreich entwickelt.

InGaNSQWLED6cd reine Helltee-Farbe mit hoher Helligkeit und blaue 2-CD-LED mit hoher Helligkeit wurden hergestellt. In Zukunft kann es mit der roten LED AlGaP und AlGaAs kombiniert werden, um ein Vollfarbdisplay mit heller Helligkeit zu erhalten.

Auf diese Weise wird die Weißlichtquelle mit drei Primärfarben neue Anwendungsfelder eröffnen und die Ära der hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer von LED wird kommen.

Leuchtstofflampen und Glühbirnen werden durch LEDs ersetzt.

LED wird das führende Produkt sein, GaN-Transistoren werden sich mit der Entwicklung des Materialwachstums und der Gerätetechnologie ebenfalls schnell entwickeln und zu einer neuen Generation von Hochtemperaturfrequenz-Hochleistungsbauelementen werden.


Mängel und Probleme (Nachteile)

Einerseits weist der Träger theoretisch aufgrund der Beziehung zwischen seiner Energiebandstruktur eine große effektive Masse und schlechte Transporteigenschaften auf, so dass eine geringe elektrische Feldbeweglichkeit und eine niedrige Hochfrequenzleistung vorliegen.

Andererseits ist der durch Heteroepitaxie gewachsene GaN-Einkristall (Saphir und SiC als Substrat) immer noch nicht zufriedenstellend (was die Entwicklung von GaN-Vorrichtungen behindert). Beispielsweise erreicht die Versetzungsdichte 108 ~ 1010 / cm² (obwohl Saphir und SiC eine ähnliche Kristallstruktur wie GaN aufweisen, gibt es immer noch eine relativ große Gitterfehlanpassung und thermische Fehlanpassung).

Die Umgebungstemperatur-Träger- (Elektronen-) Konzentration von undotiertem GaN beträgt bis zu 1017 cm & supmin; ³ (möglicherweise bezogen auf N-Leerstellen, Substitution Si, Substitution O usw.) und weist eine Leitfähigkeit vom N-Typ auf.

Obwohl es leicht ist, eine Dotierung vom N-Typ zu realisieren (Dotierung Si kann eine Elektronenkonzentration von 1015 ~ 1020 / cm³ erhalten, Mobilität bei Raumtemperatur& GT;

GaN vom Typ 300 cm² / Vs n, aber der Dotierungsgrad vom P-Typ ist zu niedrig (hauptsächlich Mg), die erhaltene Lochkonzentration beträgt nur 1017 ~ 1018 / cm³, Mobilität& LT;

Bei 10 cm² / Vs beträgt die Dotierungseffizienz nur 0,1% bis 1% (möglicherweise aufgrund der hohen Kompensation von H und der hohen Selbstionisationsenergie von Mg).


Vorteile

Große Bandlückenbreite (3,4 EV), hohe Wärmeleitfähigkeit (1,3 W / cm-K), hohe Betriebstemperatur, hohe Durchbruchspannung, starke Strahlungsbeständigkeit;

(2) Der Boden des Leitungsbandes in Γ-Punkten und vom Rest des Leitungsbandes kann das Tal zwischen den Energiedifferenzen groß sein, ist nicht leicht zu streuen über das Tal, was eine hohe starke Felddriftgeschwindigkeit (Elektronendrift) erreichen kann Geschwindigkeit weniger gesättigt);

GaN kann leicht Mischkristalle mit AlN, InN usw. bilden und kann zu verschiedenen heterogenen Strukturen verarbeitet werden. 2-DEg mit einer Mobilität von 105 cm² / Vs wurde bei niedriger Temperatur erhalten (aufgrund der hohen Oberflächendichte von 2-DEg wurden optische akustische Streuung, Streuung ionisierender Verunreinigungen, piezoelektrische Streuung und andere Faktoren wirksam abgeschirmt).

(4) Die Gittersymmetrie ist relativ gering (es handelt sich um eine hexaedrische Wurtzitstruktur oder eine tetragonal metastabile Zinksphaleritstruktur) mit starker piezoelektrischer (nicht zentraler Symmetrie) und ferroelektrischer (spontane Polarisation entlang der hexaedrischen C-Achse):

Starke piezoelektrische Polarisation in der Nähe des elektrischen Feldes der Heteroübergangsgrenzfläche (bis zu 2 mv / cm) und spontanes Polarisationsfeld (bis zu 3 mv / cm) induzierten die Ladungsgrenzfläche mit extrem hoher Dichte, starke Modulation der Heteroübergangsbandstruktur, verstärken die zweidimensionale Raumgrenze von 2 - DEG, um die Oberflächendichte des 2 - DEG zu verbessern (in AlGaN / GaN kann die Heterostruktur 1013 / cm2 erreichen, als der AlGaAs / GaAs-Heteroübergang in einer Größenordnung), ist die Arbeit sehr aussagekräftig für das Gerät.

Kurz gesagt, im Großen und Ganzen gleichen die Vorteile von GaN&seine Nachteile aus, insbesondere durch den Effekt eines heterogenen Übergangs, seine effektive Transportleistung ist nicht geringer als GaAs und der Effekt der Herstellung von Mikrowellenleistungsgeräten (Mikrowellenausgangsleistung) Dichte) ist oft weitaus besser als alle vorhandenen Halbleitermaterialien.

GAN CHARGERs

Das Hauptproblem

Da GaN ein Halbleiter mit großer Bandlücke und zu großer Polarität ist, ist es schwierig, durch hohe Dotierung einen guten ohmschen Metall-Halbleiter-Kontakt zu erhalten, was ein schwieriges Problem bei der Herstellung von GaN-Bauelementen darstellt. Daher hängt die Leistung von GaN-Bauelementen häufig mit dem Produktionsergebnis des ohmschen Kontakts zusammen.

Eine bessere Lösung besteht nun darin, den Heteroübergang zu verwenden, zuerst die Spaltbreite allmählich kleiner zu machen und dann eine hohe Dotierung zu verwenden, um einen ohmschen Kontakt zu erzielen. Dieser Prozess ist jedoch komplexer.

Mit einem Wort, der ohmsche Kontakt ist ein Hauptproblem, das bei der Herstellung von GaN-Bauelementen gelöst werden muss.