Το μοιραίο ελάττωμα του GaN

Καθώς ο κόσμος αναζητά νέες ευκαιρίες στον τομέα των ημιαγωγών,Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN)συνεχίζει να ξεχωρίζει ως πιθανός υποψήφιος για μελλοντικές εφαρμογές ισχύος και ραδιοσυχνοτήτων. Ωστόσο, παρά τα πολυάριθμα οφέλη του, το GaN αντιμετωπίζει μια σημαντική πρόκληση: την απουσία προϊόντων τύπου P. Γιατί είναιGaNπου χαιρετίστηκε ως το επόμενο σημαντικό υλικό ημιαγωγών, γιατί η έλλειψη συσκευών GaN τύπου P είναι ένα κρίσιμο μειονέκτημα και τι σημαίνει αυτό για μελλοντικά σχέδια;

Γιατί είναιGaNΧαιρετίστηκε ως το επόμενο σημαντικό υλικό ημιαγωγών;

Στον τομέα των ηλεκτρονικών, τέσσερα γεγονότα επιμένουν από τότε που οι πρώτες ηλεκτρονικές συσκευές κυκλοφόρησαν στην αγορά: πρέπει να γίνουν όσο το δυνατόν μικρότερες, όσο το δυνατόν πιο φθηνές, να προσφέρουν όσο το δυνατόν περισσότερη ισχύ και να καταναλώνουν όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Δεδομένου ότι αυτές οι απαιτήσεις συχνά συγκρούονται μεταξύ τους, η προσπάθεια δημιουργίας της τέλειας ηλεκτρονικής συσκευής που να πληροί και τις τέσσερις απαιτήσεις μοιάζει με ονειροπόληση. Ωστόσο, αυτό δεν εμπόδισε τους μηχανικούς να προσπαθήσουν να το επιτύχουν.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις τέσσερις κατευθυντήριες αρχές, οι μηχανικοί κατάφεραν να ολοκληρώσουν μια ποικιλία φαινομενικά αδύνατων εργασιών. Οι υπολογιστές έχουν συρρικνωθεί από μηχανήματα μεγέθους δωματίου σε τσιπς μικρότερα από έναν κόκκο ρυζιού, τα smartphones επιτρέπουν πλέον την ασύρματη επικοινωνία και την πρόσβαση στο Διαδίκτυο και τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας μπορούν πλέον να φοριούνται και να χρησιμοποιούνται ανεξάρτητα από έναν οικοδεσπότη. Ωστόσο, καθώς οι μηχανικοί πλησιάζουν τα φυσικά όρια των κοινώς χρησιμοποιούμενων υλικών όπως το πυρίτιο, το να κάνουν τις συσκευές μικρότερες και να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια γίνεται όλο και πιο δύσκολο.

Κατά συνέπεια, οι ερευνητές αναζητούν συνεχώς νέα υλικά που θα μπορούσαν ενδεχομένως να αντικαταστήσουν τέτοια κοινά υλικά και να συνεχίσουν να προσφέρουν μικρότερες, πιο αποτελεσματικές συσκευές.Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN)είναι ένα τέτοιο υλικό που έχει συγκεντρώσει σημαντική προσοχή και οι λόγοι είναι προφανείς σε σύγκριση με το πυρίτιο.

Τι κάνειΝιτρίδιο του ΓάλλιουΕξαιρετικά αποτελεσματικό;

Πρώτον, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του GaN είναι 1000 φορές υψηλότερη από αυτή του πυριτίου, επιτρέποντάς του να λειτουργεί σε υψηλότερα ρεύματα. Αυτό σημαίνειGaNΟι συσκευές μπορούν να λειτουργούν σε σημαντικά υψηλότερα επίπεδα ισχύος χωρίς να παράγουν υπερβολική θερμότητα, επιτρέποντάς τους να γίνονται μικρότερες για μια δεδομένη ισχύ εξόδου.

Παρά την ελαφρώς χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα του GaN σε σύγκριση με το πυρίτιο, τα πλεονεκτήματα διαχείρισης θερμότητας του ανοίγουν το δρόμο για νέους δρόμους στα ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για εφαρμογές όπου ο χώρος είναι κορυφαίος και οι λύσεις ψύξης πρέπει να ελαχιστοποιηθούν, όπως στην αεροδιαστημική και τα ηλεκτρονικά αυτοκίνητα.GaNΗ ικανότητα των συσκευών να διατηρούν την απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες υπογραμμίζει περαιτέρω τις δυνατότητές τους σε εφαρμογές σκληρού περιβάλλοντος.

Δεύτερον, το μεγαλύτερο διάκενο ζώνης του GaN (3,4eV σε σύγκριση με 1,1eV) του επιτρέπει να χρησιμοποιείται σε υψηλότερες τάσεις πριν από τη διηλεκτρική βλάβη. Κατά συνέπεια,GaNόχι μόνο προσφέρει μεγαλύτερη ισχύ αλλά μπορεί επίσης να λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις διατηρώντας παράλληλα υψηλότερη απόδοση.

Η υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων επιτρέπει επίσηςGaNγια χρήση σε υψηλότερες συχνότητες. Αυτός ο παράγοντας καθιστά το GaN απαραίτητο για εφαρμογές ισχύος RF που λειτουργούν πολύ πάνω από το εύρος GHz, το οποίο το πυρίτιο δυσκολεύεται να χειριστεί. Ωστόσο, όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα, το πυρίτιο υπερέχει ελαφρώςGaN, που σημαίνει ότι οι συσκευές GaN έχουν μεγαλύτερες θερμικές απαιτήσεις σε σύγκριση με τις συσκευές πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, η έλλειψη θερμικής αγωγιμότητας περιορίζει την ικανότητα μικρογραφίαςGaNσυσκευές για λειτουργίες υψηλής ισχύος, καθώς απαιτούνται μεγαλύτεροι όγκοι υλικών για την απαγωγή θερμότητας.

Ποιο είναι το μοιραίο ελάττωμαGaN—Έλλειψη τύπου P;

Το να έχεις έναν ημιαγωγό ικανό να λειτουργεί σε υψηλή ισχύ και υψηλές συχνότητες είναι εξαιρετικό. Ωστόσο, παρά όλα τα πλεονεκτήματά του, το GaN έχει ένα σημαντικό ελάττωμα που εμποδίζει σοβαρά την ικανότητά του να αντικαθιστά το πυρίτιο σε πολλές εφαρμογές: την έλλειψη συσκευών GaN τύπου P.

Ένας από τους κύριους σκοπούς αυτών των υλικών που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα είναι να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση και να υποστηρίξουν υψηλότερη ισχύ και τάση, και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το ρεύμαGaNτα τρανζίστορ μπορούν να το πετύχουν αυτό. Ωστόσο, αν και μεμονωμένα τρανζίστορ GaN μπορούν πράγματι να παρέχουν μερικά εντυπωσιακά χαρακτηριστικά, το γεγονός ότι όλα τα τρέχοντα εμπορικάGaNΟι συσκευές είναι τύπου Ν επηρεάζει τις δυνατότητές τους στην απόδοσή τους.

Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό, πρέπει να δούμε πώς λειτουργούν η λογική NMOS και CMOS. Λόγω της απλής διαδικασίας κατασκευής και του σχεδιασμού τους, η λογική NMOS ήταν μια πολύ δημοφιλής τεχνολογία στις δεκαετίες του 1970 και του 1980. Χρησιμοποιώντας μία μόνο αντίσταση συνδεδεμένη μεταξύ του τροφοδοτικού και της αποστράγγισης ενός τρανζίστορ MOS τύπου N, η πύλη αυτού του τρανζίστορ μπορεί να ελέγξει την τάση αποστράγγισης του τρανζίστορ MOS, υλοποιώντας αποτελεσματικά μια πύλη NOT. Όταν συνδυάζονται με άλλα τρανζίστορ NMOS, μπορούν να δημιουργηθούν όλα τα λογικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των AND, OR, XOR και μάνδαλων.

Ωστόσο, ενώ αυτή η τεχνολογία είναι απλή, χρησιμοποιεί αντιστάσεις για την παροχή ισχύος. Αυτό σημαίνει ότι όταν τα τρανζίστορ NMOS μεταδίδουν, μια σημαντική ποσότητα ισχύος σπαταλάται στις αντιστάσεις. Για μια μεμονωμένη πύλη, αυτή η απώλεια ισχύος είναι ελάχιστη, αλλά όταν κλιμακώνεται σε μια μικρή CPU 8-bit, αυτή η απώλεια ισχύος μπορεί να συσσωρευτεί, θερμαίνοντας τη συσκευή και περιορίζοντας τον αριθμό των ενεργών στοιχείων σε ένα μόνο τσιπ.

Πώς εξελίχθηκε η τεχνολογία NMOS σε CMOS;

Από την άλλη πλευρά, το CMOS χρησιμοποιεί τρανζίστορ τύπου P και τύπου N που λειτουργούν συνεργιστικά με αντίθετους τρόπους. Ανεξάρτητα από την κατάσταση εισόδου της λογικής πύλης CMOS, η έξοδος της πύλης δεν επιτρέπει τη σύνδεση από την τροφοδοσία στη γείωση, μειώνοντας σημαντικά την απώλεια ισχύος (όπως ακριβώς όταν ο τύπος N άγει, ο τύπος P μονώνει και αντίστροφα). Στην πραγματικότητα, η μόνη πραγματική απώλεια ισχύος στα κυκλώματα CMOS συμβαίνει κατά τις μεταβάσεις καταστάσεων, όπου μια μεταβατική σύνδεση μεταξύ ισχύος και γείωσης σχηματίζεται μέσω συμπληρωματικών ζευγών.

Επιστρέφοντας στοGaNσυσκευές, δεδομένου ότι επί του παρόντος υπάρχουν μόνο συσκευές τύπου N, η μόνη διαθέσιμη τεχνολογία γιαGaNείναι το NMOS, το οποίο είναι εγγενώς διψασμένο για εξουσία. Αυτό δεν είναι ένα ζήτημα για τους ενισχυτές RF, αλλά είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα για τα λογικά κυκλώματα.

Καθώς η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται και ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος της τεχνολογίας εξετάζεται προσεκτικά, η επιδίωξη της ενεργειακής απόδοσης στα ηλεκτρονικά έχει γίνει πιο κρίσιμη από ποτέ. Οι περιορισμοί κατανάλωσης ενέργειας της τεχνολογίας NMOS υπογραμμίζουν την επείγουσα ανάγκη για καινοτομίες στα υλικά ημιαγωγών για να προσφέρουν υψηλή απόδοση και υψηλή ενεργειακή απόδοση. Η ανάπτυξη του τύπου PGaNή εναλλακτικές συμπληρωματικές τεχνολογίες θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν ένα σημαντικό ορόσημο σε αυτήν την αναζήτηση, δυνητικά φέρνοντας επανάσταση στον σχεδιασμό ηλεκτρονικών συσκευών με ενεργειακή απόδοση.

Είναι ενδιαφέρον ότι είναι απολύτως δυνατή η κατασκευή τύπου PGaNσυσκευές και αυτές έχουν χρησιμοποιηθεί σε μπλε πηγές φωτός LED, συμπεριλαμβανομένου του Blu-ray. Ωστόσο, ενώ αυτές οι συσκευές επαρκούν για οπτοηλεκτρονικές απαιτήσεις, απέχουν πολύ από το να είναι ιδανικές για εφαρμογές ψηφιακής λογικής και ισχύος. Για παράδειγμα, το μόνο πρακτικό πρόσθετο για την κατασκευή τύπου PGaNοι συσκευές είναι μαγνήσιο, αλλά λόγω της υψηλής συγκέντρωσης που απαιτείται, το υδρογόνο μπορεί εύκολα να εισέλθει στη δομή κατά τη διάρκεια της ανόπτησης, επηρεάζοντας την απόδοση του υλικού.

Επομένως, η απουσία τύπου PGaNΟι συσκευές εμποδίζουν τους μηχανικούς να εκμεταλλευτούν πλήρως τις δυνατότητες του GaN ως ημιαγωγού.

Τι σημαίνει αυτό για τους μελλοντικούς μηχανικούς;

Επί του παρόντος, πολλά υλικά μελετώνται, με άλλο σημαντικό υποψήφιο το καρβίδιο του πυριτίου (SiC). ΣανGaN, σε σύγκριση με το πυρίτιο, προσφέρει υψηλότερη τάση λειτουργίας, μεγαλύτερη τάση διάσπασης και καλύτερη αγωγιμότητα. Επιπλέον, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του επιτρέπει τη χρήση σε ακραίες θερμοκρασίες και σημαντικά μικρότερα μεγέθη, ενώ παράλληλα ελέγχει μεγαλύτερη ισχύ.

Ωστόσο, σε αντίθεση μεGaN, το SiC δεν είναι κατάλληλο για υψηλές συχνότητες, που σημαίνει ότι είναι απίθανο να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων. Επομένως,GaNπαραμένει η προτιμώμενη επιλογή για μηχανικούς που θέλουν να δημιουργήσουν ενισχυτές μικρής ισχύος. Μια λύση στο ζήτημα του τύπου P είναι ο συνδυασμόςGaNμε τρανζίστορ MOS πυριτίου τύπου P. Αν και αυτό παρέχει συμπληρωματικές δυνατότητες, περιορίζει εγγενώς τη συχνότητα και την αποτελεσματικότητα του GaN.

Καθώς η τεχνολογία προχωρά, οι ερευνητές μπορεί τελικά να βρουν τον τύπο PGaNσυσκευές ή συμπληρωματικές συσκευές που χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνολογίες που μπορούν να συνδυαστούν με το GaN. Ωστόσο, μέχρι να φτάσει εκείνη η μέρα,GaNθα συνεχίσει να περιορίζεται από τους τεχνολογικούς περιορισμούς της εποχής μας.

Η διεπιστημονική φύση της έρευνας για ημιαγωγούς, που περιλαμβάνει την επιστήμη των υλικών, την ηλεκτρική μηχανική και τη φυσική, υπογραμμίζει τις συλλογικές προσπάθειες που απαιτούνται για να ξεπεραστούν οι τρέχοντες περιορισμοίGaNτεχνολογία. Πιθανές ανακαλύψεις στην ανάπτυξη του τύπου PGaNή η εύρεση κατάλληλων συμπληρωματικών υλικών όχι μόνο θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση των συσκευών που βασίζονται σε GaN αλλά και να συμβάλει στο ευρύτερο τοπίο της τεχνολογίας ημιαγωγών, ανοίγοντας το δρόμο για πιο αποτελεσματικά, συμπαγή και αξιόπιστα ηλεκτρονικά συστήματα στο μέλλον.**

Εμείς στη Semicorex κατασκευάζουμε και προμηθεύουμε σεGaNEpi-wafers και άλλα είδη γκοφρέτεςεφαρμόζεται στην κατασκευή ημιαγωγών, εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com