Kristal Tunggal GaN

Teknologi semikonduktor telah menjadi tulang belakang tamadun moden, secara asasnya mengubah cara kita hidup, bekerja dan berinteraksi dengan dunia. Ia telah membolehkan kemajuan yang belum pernah berlaku sebelum ini dalam pelbagai bidang termasuk teknologi maklumat, tenaga, telekomunikasi dan penjagaan kesihatan. Daripada mikropemproses yang memberi kuasa kepada telefon pintar dan komputer kita, kepada penderia dalam peranti perubatan, dan elektronik kuasa dalam sistem tenaga boleh diperbaharui, semikonduktor adalah teras kepada hampir setiap inovasi teknologi pada abad yang lalu.

Generasi Pertama Semikonduktor: Germanium dan Silikon

Sejarah teknologi semikonduktor bermula dengan generasi pertama semikonduktor, terutamanya germanium (Ge) dan silikon (Si). Bahan-bahan ini adalah semikonduktor unsur, bermakna ia terdiri daripada satu unsur. Silikon, khususnya, telah menjadi bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan kerana banyaknya, keberkesanan kos, dan sifat elektronik yang sangat baik. Teknologi berasaskan silikon telah matang selama beberapa dekad, membawa kepada pembangunan litar bersepadu (IC) yang membentuk asas elektronik moden. Keupayaan silikon untuk membentuk lapisan oksida yang stabil dan berkualiti tinggi (silikon dioksida) telah menjadi faktor kritikal dalam kejayaan peranti logam-oksida-semikonduktor (MOS), yang merupakan bahan binaan bagi kebanyakan elektronik digital.

Generasi Kedua Semikonduktor: Gallium Arsenide dan Indium Phosphide

Apabila teknologi berkembang, batasan silikon menjadi jelas, terutamanya dalam aplikasi berkelajuan tinggi dan frekuensi tinggi. Ini membawa kepada pembangunan generasi kedua semikonduktor, yang merangkumi semikonduktor kompaun seperti gallium arsenide (GaAs) dan indium phosphide (InP). Bahan ini terkenal dengan mobiliti elektron yang unggul dan celah jalur langsung, menjadikannya sesuai untuk peranti optoelektronik seperti diod pemancar cahaya (LED), diod laser dan transistor frekuensi tinggi. Sebagai contoh, GaA digunakan secara meluas dalam sistem komunikasi gelombang mikro dan gelombang milimeter, serta dalam teknologi satelit dan radar. Di sebalik kelebihannya, penggunaan meluas GaA dan InP telah dihadkan disebabkan kos dan cabaran yang lebih tinggi dalam pembuatan.

Semikonduktor Generasi Ketiga:Silikon KarbidadanGalium Nitrida

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tumpuan telah beralih kepada generasi ketiga semikonduktor, yang termasuk bahan sepertisilikon karbida (SiC)dangalium nitrida (GaN). Bahan ini mempunyai jurang jalur yang luas, bermakna ia boleh beroperasi pada voltan, suhu dan frekuensi yang lebih tinggi daripada pendahulunya.GaN, khususnya, telah mendapat perhatian yang ketara untuk sifatnya yang luar biasa, termasuk jurang jalur lebar 3.4 eV, mobiliti elektron yang tinggi, voltan pecahan tinggi dan kekonduksian terma yang sangat baik. Ciri-ciri ini menjadikanGaNcalon yang sesuai untuk aplikasi berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi, seperti pengecas pantas, transistor kuasa dan peranti gelombang mikro frekuensi radio (RF).

Struktur Kristal dan Ikatan dalamGaN

GaNtergolong dalam kumpulan III-V semikonduktor sebatian, yang terdiri daripada unsur-unsur daripada kumpulan III (cth., galium) dan kumpulan V (cth., nitrogen) jadual berkala. Struktur kristal bagiGaNboleh wujud dalam dua bentuk utama: wurtzit heksagon dan sphalerit kubik. Jenis struktur kristal yang terbentuk dipengaruhi oleh sifat ikatan kimia antara atom. Dalam sebatian semikonduktor, ikatan boleh menjadi campuran ikatan kovalen dan ion. Semakin banyak ikatan ionik, semakin besar kemungkinan bahan itu membentuk struktur wurtzite. Dalam kesGaN, perbezaan besar dalam keelektronegatifan antara galium (Ga) dan nitrogen (N) membawa kepada watak ionik yang ketara dalam ikatan. Akibatnya,GaNbiasanya menghablur dalam struktur wurtzite, yang terkenal dengan kestabilan haba yang tinggi dan ketahanan terhadap kakisan kimia.

Kelebihan daripadaGaNMengenai Bahan Semikonduktor Terdahulu

Berbanding dengan bahan semikonduktor generasi pertama dan kedua,GaNmenawarkan beberapa kelebihan yang menjadikannya sangat menarik untuk aplikasi canggih. Salah satu faedah yang paling ketara ialah jurang jalurnya yang luas, membolehkan peranti berasaskan GaN beroperasi pada voltan dan suhu yang lebih tinggi tanpa rosak. Ini menjadikan GaN sebagai bahan yang sangat baik untuk elektronik kuasa, di mana kecekapan dan pengurusan haba adalah kebimbangan kritikal. Selain itu, GaN mempunyai pemalar dielektrik yang lebih rendah, membantu mengurangkan kemuatan dan membolehkan kelajuan pensuisan yang lebih pantas dalam transistor.

GaNjuga mempunyai kekuatan medan elektrik kritikal yang lebih tinggi, membolehkan peranti mengendalikan medan elektrik yang lebih besar tanpa mengalami kerosakan. Ini amat penting dalam aplikasi berkuasa tinggi, di mana keupayaan untuk menguruskan voltan dan arus tinggi adalah penting. Tambahan pula, mobiliti elektron tinggi GaN menyumbang kepada kesesuaiannya untuk aplikasi frekuensi tinggi, seperti peranti RF dan gelombang mikro. Gabungan sifat ini—kekonduksian terma yang tinggi, rintangan suhu tinggi dan kekerasan sinaran—menjadikan GaN bahan serba boleh yang bersedia untuk memainkan peranan penting dalam peranti elektronik generasi akan datang.

GaNdalam Aplikasi Moden dan Prospek Masa Depan

Sifat unik dariGaNtelah mula merevolusikan beberapa industri. Dalam elektronik pengguna, pengecas pantas berasaskan GaN menjadi semakin popular kerana kecekapan dan saiznya yang padat berbanding pengecas berasaskan silikon tradisional. Dalam bidang telekomunikasi, GaN sedang digunakan untuk membangunkan transistor frekuensi tinggi yang penting untuk rangkaian 5G dan seterusnya. Sektor aeroangkasa dan pertahanan juga sedang meneroka potensi GaN untuk digunakan dalam radar berkuasa tinggi dan sistem komunikasi, di mana keupayaannya untuk beroperasi dalam keadaan yang melampau adalah tidak ternilai.