Fatálna chyba GaN

Ako svet hľadá nové príležitosti v oblasti polovodičov,nitrid gália (GaN)naďalej vyčnieva ako potenciálny kandidát pre budúce energetické a RF aplikácie. Napriek mnohým výhodám však GaN čelí významnej výzve: absencii produktov typu P. Prečo jeGaNprečo je nedostatok zariadení GaN typu P kritickou nevýhodou a čo to znamená pre budúce návrhy?

Prečo jeGaNOslavovaný ako ďalší hlavný polovodičový materiál?

V oblasti elektroniky od príchodu prvých elektronických zariadení na trh pretrvávajú štyri fakty: treba ich vyrobiť čo najmenšie, čo najlacnejšie, ponúkať čo najviac energie a spotrebúvať čo najmenej energie. Vzhľadom na to, že tieto požiadavky sú často vo vzájomnom rozpore, pokus o vytvorenie dokonalého elektronického zariadenia, ktoré spĺňa všetky štyri požiadavky, sa javí ako sen. To však nezabránilo inžinierom v snahe dosiahnuť to.

Pomocou týchto štyroch hlavných princípov sa inžinierom podarilo splniť množstvo zdanlivo nemožných úloh. Počítače sa zo strojov s veľkosťou miestnosti zmenšili na čipy menšie ako zrnko ryže, smartfóny teraz umožňujú bezdrôtovú komunikáciu a prístup na internet a systémy virtuálnej reality je možné nosiť a používať nezávisle od hostiteľa. Keď sa však inžinieri približujú k fyzikálnym limitom bežne používaných materiálov, ako je kremík, zmenšovanie zariadení a spotrebováva menej energie je čoraz náročnejšie.

V dôsledku toho výskumníci neustále hľadajú nové materiály, ktoré by mohli potenciálne nahradiť takéto bežné materiály a naďalej ponúkať menšie a efektívnejšie zariadenia.nitrid gália (GaN)je jedným z takýchto materiálov, ktorý si získal značnú pozornosť a dôvody sú zrejmé v porovnaní s kremíkom.

Čo robíNitrid gáliaVýnimočne efektívne?

Po prvé, elektrická vodivosť GaN je 1000-krát vyššia ako vodivosť kremíka, čo mu umožňuje pracovať pri vyšších prúdoch. To znamenáGaNzariadenia môžu bežať pri výrazne vyšších úrovniach výkonu bez vytvárania nadmerného tepla, čo umožňuje ich zmenšenie pre daný výkon.

Napriek mierne nižšej tepelnej vodivosti GaN v porovnaní s kremíkom, jeho výhody tepelného manažmentu pripravujú cestu pre nové cesty vo vysokovýkonnej elektronike. To je obzvlášť dôležité pre aplikácie, kde je priestor na prvom mieste a chladiace riešenia je potrebné minimalizovať, ako napríklad v leteckom a kozmickom priemysle a automobilovej elektronike.GaNschopnosť zariadení udržať si výkon pri vysokých teplotách ďalej zvýrazňuje ich potenciál v náročných aplikáciách.

Po druhé, väčšia pásmová medzera GaN (3,4 eV v porovnaní s 1,1 eV) umožňuje jeho použitie pri vyšších napätiach pred dielektrickým rozpadom. v dôsledku tohoGaNponúka nielen vyšší výkon, ale môže pracovať aj pri vyššom napätí pri zachovaní vyššej účinnosti.

Vysoká mobilita elektrónov tiež umožňujeGaNna použitie pri vyšších frekvenciách. Tento faktor robí GaN nevyhnutným pre aplikácie RF napájania, ktoré fungujú vysoko nad rozsahom GHz, s ktorým kremík ťažko zvláda. Z hľadiska tepelnej vodivosti však kremík mierne prekonávaGaN, čo znamená, že zariadenia GaN majú vyššie tepelné požiadavky v porovnaní s kremíkovými zariadeniami. V dôsledku toho nedostatok tepelnej vodivosti obmedzuje schopnosť miniaturizácieGaNzariadenia pre vysokovýkonné prevádzky, pretože na odvod tepla sú potrebné väčšie objemy materiálu.

Čo je smrteľná chybaGaN— Nedostatok typu P?

Mať polovodič schopný pracovať pri vysokom výkone a vysokých frekvenciách je vynikajúce. Napriek všetkým svojim výhodám má GaN jednu veľkú chybu, ktorá vážne bráni jeho schopnosti nahradiť kremík v mnohých aplikáciách: nedostatok zariadení GaN typu P.

Jedným z hlavných účelov týchto novoobjavených materiálov je výrazne zlepšiť účinnosť a podporiť vyšší výkon a napätie a niet pochýb o tom, že prúdGaNtranzistory to môžu dosiahnuť. Avšak, aj keď jednotlivé GaN tranzistory môžu skutočne poskytnúť niektoré pôsobivé vlastnosti, skutočnosť, že všetky súčasné komerčnéGaNzariadenia typu N ovplyvňuje ich účinnosť.

Aby sme pochopili, prečo je to tak, musíme sa pozrieť na to, ako funguje logika NMOS a CMOS. Logika NMOS bola vďaka svojmu jednoduchému výrobnému procesu a dizajnu veľmi populárnou technológiou v 70. a 80. rokoch 20. storočia. Použitím jediného odporu pripojeného medzi napájací zdroj a kolektor MOS tranzistora typu N môže hradlo tohto tranzistora riadiť odberové napätie tranzistora MOS, čím efektívne implementuje hradlo NOT. V kombinácii s inými tranzistormi NMOS je možné vytvoriť všetky logické prvky vrátane AND, OR, XOR a západiek.

Hoci je táto technológia jednoduchá, na dodávanie energie využíva odpory. To znamená, že keď tranzistory NMOS vedú, značné množstvo energie sa plytvá na odpory. Pre individuálnu bránu je táto strata výkonu minimálna, ale pri škálovaní na malý 8-bitový procesor sa môže táto strata výkonu akumulovať, zariadenie sa zahrieva a obmedzuje sa počet aktívnych komponentov na jednom čipe.

Ako sa technológia NMOS vyvinula na CMOS?

Na druhej strane CMOS používa tranzistory typu P a N, ktoré fungujú synergicky opačným spôsobom. Bez ohľadu na vstupný stav logickej brány CMOS, výstup brány neumožňuje spojenie z napájania so zemou, čo výrazne znižuje stratu energie (rovnako ako keď typ N vedie, typ P izoluje a naopak). V skutočnosti k jedinej skutočnej strate výkonu v obvodoch CMOS dochádza počas stavových prechodov, kde sa prechodné spojenie medzi napájaním a zemou vytvára prostredníctvom komplementárnych párov.

Návrat doGaNzariadení, keďže v súčasnosti existujú iba zariadenia typu N, jediná dostupná technológia preGaNje NMOS, ktorý je vo svojej podstate náročný na energiu. Toto nie je problém pre RF zosilňovače, ale je to hlavná nevýhoda logických obvodov.

Keďže celosvetová spotreba energie neustále rastie a vplyv technológie na životné prostredie sa podrobne skúma, snaha o energetickú účinnosť v elektronike sa stala kritickejšou než kedykoľvek predtým. Obmedzenia spotreby energie technológie NMOS podčiarkujú naliehavú potrebu prelomových objavov v polovodičových materiáloch, ktoré ponúkajú vysoký výkon a vysokú energetickú účinnosť. Vývoj typu PGaNalebo alternatívne komplementárne technológie by mohli znamenať významný míľnik v tomto úsilí, potenciálne revolúciu v dizajne energeticky účinných elektronických zariadení.

Je zaujímavé, že je úplne možné vyrobiť typ PGaNzariadenia, a tie boli použité v modrých LED svetelných zdrojoch, vrátane Blu-ray. Aj keď tieto zariadenia postačujú pre optoelektronické požiadavky, nie sú ani zďaleka ideálne pre aplikácie digitálnej logiky a napájania. Napríklad jediná praktická prímes na výrobu typu PGaNzariadenia je horčík, ale kvôli vysokej požadovanej koncentrácii môže vodík počas žíhania ľahko vstúpiť do štruktúry, čo ovplyvňuje výkon materiálu.

Preto absencia P-typuGaNzariadenia bránia inžinierom plne využiť potenciál GaN ako polovodiča.

Čo to znamená pre budúcich inžinierov?

V súčasnosti sa študuje mnoho materiálov, pričom ďalším významným kandidátom je karbid kremíka (SiC). AkoGaN, v porovnaní s kremíkom ponúka vyššie prevádzkové napätie, väčšie prierazné napätie a lepšiu vodivosť. Navyše jeho vysoká tepelná vodivosť umožňuje jeho použitie pri extrémnych teplotách a výrazne menších rozmeroch pri ovládaní väčšieho výkonu.

Avšak na rozdiel odGaNSiC nie je vhodný pre vysoké frekvencie, čo znamená, že je nepravdepodobné, že by sa používal pre RF aplikácie. pretoGaNzostáva preferovanou voľbou pre inžinierov, ktorí chcú vytvoriť malé výkonové zosilňovače. Jedným z riešení problému typu P je kombináciaGaNs kremíkovými MOS tranzistormi typu P. Aj keď to poskytuje doplnkové možnosti, vo svojej podstate to obmedzuje frekvenciu a účinnosť GaN.

Ako technológia napreduje, výskumníci môžu nakoniec nájsť P-typGaNzariadenia alebo doplnkové zariadenia využívajúce rôzne technológie, ktoré je možné kombinovať s GaN. Kým však nepríde ten deň,GaNbude naďalej obmedzovaný technologickými obmedzeniami našej doby.

Interdisciplinárny charakter výskumu polovodičov, ktorý zahŕňa vedu o materiáloch, elektrotechniku ​​a fyziku, podčiarkuje spoločné úsilie potrebné na prekonanie súčasných obmedzeníGaNtechnológie. Potenciálne prelomy vo vývoji typu PGaNalebo nájdenie vhodných doplnkových materiálov by mohlo nielen zvýšiť výkon zariadení založených na GaN, ale tiež prispieť k širšej oblasti polovodičových technológií a pripraviť pôdu pre efektívnejšie, kompaktnejšie a spoľahlivejšie elektronické systémy v budúcnosti.**

My v Semicorex vyrábame a dodávame vGaNEpi-wafery a iné typy oblátokpoužívané pri výrobe polovodičov, ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktný telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com