Usodna napaka GaN

Medtem ko svet išče nove priložnosti na področju polprevodnikov,Galijev nitrid (GaN)še naprej izstopa kot potencialni kandidat za prihodnje napajalne in RF aplikacije. Kljub številnim prednostim pa se GaN sooča s pomembnim izzivom: odsotnost izdelkov tipa P. Zakaj jeGaNrazglašen za naslednji večji polprevodniški material, zakaj je pomanjkanje naprav tipa P GaN kritična pomanjkljivost in kaj to pomeni za prihodnje načrte?

Zakaj jeGaNPozdravljen kot naslednji pomemben polprevodniški material?

Na področju elektronike odkar so na trg prišle prve elektronske naprave, veljajo štiri dejstva: narediti jih je treba čim manjše, čim cenejše, ponuditi morajo čim večjo moč in porabiti čim manj energije. Glede na to, da so te zahteve med seboj pogosto v nasprotju, se zdi poskus izdelave popolne elektronske naprave, ki izpolnjuje vse štiri zahteve, le sanje. Vendar to inženirjev ni ustavilo pri prizadevanju za dosego tega.

Z uporabo teh štirih vodilnih načel je inženirjem uspelo doseči vrsto na videz nemogočih nalog. Računalniki so se iz naprav v velikosti sobe skrčili na čipe, manjše od riževega zrna, pametni telefoni zdaj omogočajo brezžično komunikacijo in dostop do interneta, sisteme navidezne resničnosti pa je zdaj mogoče nositi in uporabljati neodvisno od gostitelja. Ker pa se inženirji približujejo fizikalnim omejitvam običajno uporabljenih materialov, kot je silicij, postaja manjše naprave in manjša poraba energije vedno večji izziv.

Posledično raziskovalci nenehno iščejo nove materiale, ki bi lahko nadomestili tako običajne materiale in še naprej ponujali manjše, učinkovitejše naprave.Galijev nitrid (GaN)je eden takih materialov, ki je pritegnil veliko pozornosti, razlogi pa so očitni v primerjavi s silicijem.

Kaj narediGalijev nitridIzjemno učinkovit?

Prvič, električna prevodnost GaN je 1000-krat večja kot pri siliciju, kar mu omogoča delovanje pri višjih tokovih. To pomeniGaNNaprave lahko delujejo pri znatno višjih ravneh moči brez ustvarjanja prekomerne toplote, kar jim omogoča, da so manjše za določeno izhodno moč.

Kljub nekoliko nižji toplotni prevodnosti GaN v primerjavi s silicijem, njegove prednosti pri upravljanju toplote utirajo pot novim poti v elektroniki visoke moči. To je še posebej pomembno za aplikacije, kjer je prostor omejen in je treba zmanjšati število hladilnih rešitev, na primer v vesoljski in avtomobilski elektroniki.GaNzmožnost naprav, da ohranijo zmogljivost pri visokih temperaturah, dodatno poudarja njihov potencial v aplikacijah v težkih okoljih.

Drugič, večja pasovna vrzel GaN (3,4 eV v primerjavi z 1,1 eV) omogoča uporabo pri višjih napetostih pred razpadom dielektrika. PosledičnoGaNne ponuja samo večje moči, ampak lahko deluje tudi pri višjih napetostih, hkrati pa ohranja večjo učinkovitost.

Dovoljuje tudi visoka mobilnost elektronovGaNza uporabo pri višjih frekvencah. Zaradi tega dejavnika je GaN bistvenega pomena za RF napajalne aplikacije, ki delujejo precej nad območjem GHz, ki ga silicij težko obvladuje. Vendar pa glede toplotne prevodnosti silicij nekoliko prekašaGaN, kar pomeni, da imajo naprave GaN večje toplotne zahteve v primerjavi z napravami iz silicija. Zaradi tega pomanjkanje toplotne prevodnosti omejuje možnost miniaturizacijeGaNnaprave za visokozmogljive operacije, saj so za odvajanje toplote potrebne večje količine materiala.

Kaj je usodna napakaGaN—Pomanjkanje tipa P?

Odlično je imeti polprevodnik, ki lahko deluje pri visoki moči in visokih frekvencah. Vendar pa ima GaN kljub vsem svojim prednostim eno veliko pomanjkljivost, ki resno ovira njegovo sposobnost zamenjave silicija v številnih aplikacijah: pomanjkanje naprav tipa P GaN.

Eden od glavnih namenov teh na novo odkritih materialov je znatno izboljšati učinkovitost in podpirati večjo moč in napetost, in ni dvoma, da tokGaNtranzistorji lahko to dosežejo. Čeprav lahko posamezni GaN tranzistorji dejansko zagotovijo nekaj impresivnih lastnosti, je dejstvo, da vsi trenutni komercialniGaNnaprave tipa N vpliva na njihovo učinkovitost.

Da bi razumeli, zakaj je tako, moramo pogledati, kako delujeta logika NMOS in CMOS. Zaradi preprostega proizvodnega procesa in zasnove je bila logika NMOS zelo priljubljena tehnologija v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Z uporabo enega samega upora, povezanega med napajanjem in odvodom tranzistorja MOS tipa N, lahko vrata tega tranzistorja nadzorujejo napetost odtoka tranzistorja MOS, s čimer učinkovito izvajajo vrata NOT. V kombinaciji z drugimi tranzistorji NMOS je mogoče ustvariti vse logične elemente, vključno z IN, ALI, XOR in zapahi.

Čeprav je ta tehnologija preprosta, uporablja upore za zagotavljanje moči. To pomeni, da se pri prevajanju tranzistorjev NMOS znatna količina energije izgubi na uporih. Za posamezna vrata je ta izguba energije minimalna, toda ko se poveča na majhen 8-bitni CPE, se lahko ta izguba moči kopiči, segreje napravo in omeji število aktivnih komponent na enem čipu.

Kako se je tehnologija NMOS razvila v CMOS?

Po drugi strani pa CMOS uporablja tranzistorje tipa P in N, ki delujeta sinergistično na nasprotna načina. Ne glede na vhodno stanje logičnih vrat CMOS izhod vrat ne omogoča povezave od napajanja do ozemljitve, kar znatno zmanjša izgubo moči (tako kot, ko N-tip prevaja, P-tip izolira in obratno). Pravzaprav se edina dejanska izguba moči v vezjih CMOS pojavi med prehodi stanj, kjer se prek komplementarnih parov oblikuje prehodna povezava med močjo in ozemljitvijo.

Vrnitev kGaNnaprave, saj trenutno obstajajo samo naprave tipa N, edina razpoložljiva tehnologija zaGaNje NMOS, ki je sam po sebi požrešen. To ni problem za RF ojačevalnike, je pa velika pomanjkljivost za logična vezja.

Ker svetovna poraba energije še naprej narašča in je vpliv tehnologije na okolje natančno preučen, je prizadevanje za energetsko učinkovitost v elektroniki postalo bolj kritično kot kdaj koli prej. Omejitve porabe energije tehnologije NMOS poudarjajo nujno potrebo po prebojih na področju polprevodniških materialov, ki bodo nudili visoko zmogljivost in visoko energetsko učinkovitost. Razvoj P-tipaGaNali alternativne komplementarne tehnologije bi lahko pomenile pomemben mejnik v tem iskanju, ki bi lahko revolucionirale zasnovo energetsko učinkovitih elektronskih naprav.

Zanimivo je, da je povsem mogoče izdelati P-tipGaNnaprave, ki so bile uporabljene v virih modre LED svetlobe, vključno z Blu-ray. Čeprav te naprave zadostujejo za optoelektronske zahteve, še zdaleč niso idealne za digitalno logiko in napajalne aplikacije. Na primer, edini praktični dopant za proizvodnjo P-tipaGaNnapravah je magnezij, toda zaradi zahtevane visoke koncentracije lahko vodik zlahka vstopi v strukturo med žarjenjem, kar vpliva na zmogljivost materiala.

Zato odsotnost P-tipaGaNinženirjem preprečuje, da bi v celoti izkoristili potencial GaN kot polprevodnika.

Kaj to pomeni za bodoče inženirje?

Trenutno se proučuje veliko materialov, še en glavni kandidat je silicijev karbid (SiC). Všeč mi jeGaN, v primerjavi s silicijem ponuja višjo delovno napetost, večjo prebojno napetost in boljšo prevodnost. Poleg tega njegova visoka toplotna prevodnost omogoča uporabo pri ekstremnih temperaturah in znatno manjših velikostih, hkrati pa nadzoruje večjo moč.

Vendar za razliko odGaN, SiC ni primeren za visoke frekvence, kar pomeni, da je malo verjetno, da bi se uporabljal za aplikacije RF. zatoGaNostaja prednostna izbira za inženirje, ki želijo ustvariti majhne ojačevalnike moči. Ena rešitev za vprašanje tipa P je združevanjeGaNs silicijevimi MOS tranzistorji tipa P. Čeprav to zagotavlja dopolnilne zmogljivosti, samo po sebi omejuje frekvenco in učinkovitost GaN.

Z napredkom tehnologije lahko raziskovalci sčasoma odkrijejo P-tipGaNnaprave ali komplementarne naprave, ki uporabljajo različne tehnologije, ki jih je mogoče kombinirati z GaN. Vendar, dokler ne pride ta dan,GaNbodo še naprej omejene s tehnološkimi omejitvami našega časa.

Interdisciplinarna narava raziskav polprevodnikov, ki vključuje znanost o materialih, elektrotehniko in fiziko, poudarja potrebna skupna prizadevanja za premagovanje trenutnih omejitevGaNtehnologija. Potencialni preboj pri razvoju P-tipaGaNali iskanje ustreznih komplementarnih materialov ne bi samo izboljšalo učinkovitosti naprav na osnovi GaN, ampak tudi prispevalo k širšemu okolju polprevodniške tehnologije, s čimer bi utiralo pot učinkovitejšim, kompaktnejšim in zanesljivejšim elektronskim sistemom v prihodnosti.**

Podjetje Semicorex proizvaja in dobavlja vGaNEpi-rezine in druge vrste rezinuporablja v proizvodnji polprevodnikov, če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktni telefon: +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com