Фатальний недолік GaN

Оскільки світ шукає нові можливості в області напівпровідників,нітрид галію (GaN)продовжує виділятися як потенційний кандидат для майбутніх застосувань електроенергії та радіочастот. Однак, незважаючи на численні переваги, GaN стикається з серйозною проблемою: відсутністю продуктів P-типу. ЧомуGaNпроголошений наступним основним напівпровідниковим матеріалом, чому відсутність GaN-пристроїв P-типу є критичним недоліком і що це означає для майбутніх конструкцій?

ЧомуGaNОголошений наступним основним напівпровідниковим матеріалом?

З моменту появи на ринку перших електронних пристроїв у сфері електроніки існують чотири факти: вони повинні бути якомога меншими, якомога дешевшими, забезпечувати якомога більшу потужність і споживати якомога менше енергії. Враховуючи, що ці вимоги часто суперечать одна одній, спроба створити ідеальний електронний пристрій, який відповідає всім чотирьом вимогам, здається просто мрією. Однак це не завадило інженерам прагнути цього досягти.

Використовуючи ці чотири керівні принципи, інженерам вдалося виконати різноманітні, здавалося б, нездійсненні завдання. Комп’ютери зменшилися від машин розміром з кімнату до чіпів, менших за рисове зернятко, смартфони тепер забезпечують бездротовий зв’язок і доступ до Інтернету, а системи віртуальної реальності тепер можна носити та використовувати незалежно від хоста. Однак, оскільки інженери наближаються до фізичних обмежень таких поширених матеріалів, як кремній, зробити пристрої меншими та споживати менше енергії стає все складніше.

Отже, дослідники постійно шукають нові матеріали, які могли б потенційно замінити такі звичайні матеріали та продовжувати пропонувати менші та ефективніші пристрої.нітрид галію (GaN)є одним із таких матеріалів, який привернув значну увагу, і причини очевидні у порівнянні з кремнієм.

Що робитьнітрид галіюНадзвичайно ефективний?

По-перше, електропровідність GaN у 1000 разів вища, ніж у кремнію, що дозволяє йому працювати при вищих струмах. Це означаєGaNПристрої можуть працювати на значно вищих рівнях потужності, не виробляючи надмірного тепла, що дозволяє зробити їх меншими для заданої вихідної потужності.

Незважаючи на дещо нижчу теплопровідність GaN порівняно з кремнієм, його переваги управління теплом відкривають шлях для нових напрямків у потужній електроніці. Це особливо важливо для застосувань, де простір обмежений, а рішення для охолодження потрібно звести до мінімуму, наприклад, в аерокосмічній та автомобільній електроніці.GaNЗдатність пристроїв зберігати продуктивність за високих температур додатково підкреслює їхній потенціал у суворих умовах.

По-друге, більша ширина забороненої зони GaN (3,4 еВ порівняно з 1,1 еВ) дозволяє використовувати його при вищих напругах до пробою діелектрика. Отже,GaNне тільки пропонує більшу потужність, але також може працювати при вищих напругах, зберігаючи при цьому вищу ефективність.

Висока рухливість електронів також дозволяєGaNдля використання на вищих частотах. Цей фактор робить GaN необхідним для радіочастотних додатків, які працюють значно вище діапазону ГГц, з яким кремній важко справляється. Однак за теплопровідністю кремній трохи випереджаєGaN, що означає, що пристрої GaN мають більші вимоги до тепла порівняно з кремнієвими пристроями. Як наслідок, відсутність теплопровідності обмежує можливість мініатюризаціїGaNпристрої для роботи з великою потужністю, оскільки для відведення тепла потрібні більші обсяги матеріалу.

Що таке фатальна помилкаGaN— Відсутність P-типу?

Чудово мати напівпровідник, здатний працювати на високій потужності та високих частотах. Однак, незважаючи на всі свої переваги, GaN має один великий недолік, який серйозно перешкоджає його здатності замінити кремній у багатьох застосуваннях: відсутність пристроїв GaN типу P.

Однією з головних цілей цих нещодавно відкритих матеріалів є значне підвищення ефективності та підтримка більшої потужності та напруги, і немає сумніву, що струмGaNтранзистори можуть досягти цього. Однак, хоча окремі транзистори GaN дійсно можуть забезпечити деякі вражаючі характеристики, той факт, що всі поточні комерційніGaNпристроїв N-типу впливає на їх ефективність можливостей.

Щоб зрозуміти, чому це так, нам потрібно поглянути на те, як працює логіка NMOS і CMOS. Завдяки простому процесу виробництва та дизайну логіка NMOS була дуже популярною технологією в 1970-х і 1980-х роках. Використовуючи єдиний резистор, підключений між джерелом живлення та стоком МОП-транзистора N-типу, затвор цього транзистора може контролювати напругу стоку МОП-транзистора, ефективно реалізуючи затвор НЕ. У поєднанні з іншими транзисторами NMOS можна створити всі логічні елементи, включаючи AND, OR, XOR і засувки.

Однак, хоча ця технологія проста, вона використовує резистори для забезпечення живлення. Це означає, що коли транзистори NMOS проводять, значна кількість енергії витрачається на резистори. Для окремого шлюза ця втрата потужності мінімальна, але при масштабуванні до невеликого 8-розрядного ЦП ця втрата потужності може накопичуватися, нагріваючи пристрій і обмежуючи кількість активних компонентів на одному чіпі.

Як технологія NMOS еволюціонувала до CMOS?

З іншого боку, CMOS використовує транзистори P-типу та N-типу, які працюють синергетично протилежними способами. Незалежно від вхідного стану логічного вентиля CMOS, вихід вентиля не дозволяє з’єднання від живлення до землі, значно зменшуючи втрати потужності (так само, як коли N-тип проводить, P-тип ізолює, і навпаки). Фактично, єдина реальна втрата потужності в схемах CMOS відбувається під час переходів між станами, коли перехідний зв’язок між живленням і землею формується через комплементарні пари.

Повертаючись доGaNпристроїв, оскільки наразі існують лише пристрої N-типу, єдина доступна технологія дляGaNє NMOS, який за своєю суттю енергоємний. Це не проблема для радіочастотних підсилювачів, але це серйозний недолік для логічних схем.

Оскільки глобальне споживання енергії продовжує зростати, а вплив технологій на навколишнє середовище ретельно вивчається, прагнення до енергоефективності в електроніці стає більш важливим, ніж будь-коли. Обмеження енергоспоживання технології NMOS підкреслюють нагальну потребу в прориві в напівпровідникових матеріалах, щоб забезпечити високу продуктивність і високу енергоефективність. Розвиток Р-типуGaNабо альтернативні додаткові технології можуть стати важливою віхою в цьому пошуку, потенційно революціонізуючи дизайн енергоефективних електронних пристроїв.

Цікаво, що цілком можливо виготовити П-типGaNпристроїв, і вони використовувалися в синіх світлодіодних джерелах світла, включаючи Blu-ray. Однак, хоча цих пристроїв достатньо для оптоелектронних вимог, вони далекі від ідеальних для цифрової логіки та енергетичних програм. Наприклад, єдина практична добавка для виготовлення P-типуGaNпристроїв є магнієм, але через високу необхідну концентрацію водень може легко проникати в структуру під час відпалу, впливаючи на характеристики матеріалу.

Отже, відсутність П-типуGaNне дозволяє інженерам повністю використовувати потенціал GaN як напівпровідника.

Що це означає для майбутніх інженерів?

В даний час досліджується багато матеріалів, і ще одним основним кандидатом є карбід кремнію (SiC). ПодобаєтьсяGaN, порівняно з кремнієм, він пропонує вищу робочу напругу, вищу напругу пробою та кращу провідність. Крім того, його висока теплопровідність дозволяє використовувати його при екстремальних температурах і значно менших розмірах, контролюючи більшу потужність.

Однак на відміну відGaN, SiC не підходить для високих частот, тобто його навряд чи можна використовувати для радіочастотних додатків. томуGaNзалишається кращим вибором для інженерів, які прагнуть створити невеликі підсилювачі потужності. Одним із рішень проблеми типу P є об’єднанняGaNз кремнієвими МОП-транзисторами Р-типу. Хоча це надає додаткові можливості, воно за своєю суттю обмежує частоту та ефективність GaN.

З розвитком технологій дослідники можуть зрештою знайти P-типGaNпристроїв або додаткових пристроїв, що використовують різні технології, які можна поєднувати з GaN. Однак поки той день не настане,GaNі надалі буде обмежено технологічними обмеженнями нашого часу.

Міждисциплінарний характер досліджень напівпровідників, що включає матеріалознавство, електротехніку та фізику, підкреслює спільні зусилля, необхідні для подолання поточних обмеженьGaNтехнології. Потенційні прориви в розробці P-типуGaNабо пошук відповідних додаткових матеріалів міг би не тільки підвищити продуктивність пристроїв на основі GaN, але й сприяти розвитку ширшого ландшафту напівпровідникових технологій, прокладаючи шлях до більш ефективних, компактних і надійних електронних систем у майбутньому.**

Ми в Semicorex виробляємо та постачаємо вЕпі-пластини GaN та інші типи пластинзастосовуваних у виробництві напівпровідників, якщо у вас є запитання або вам потрібні додаткові відомості, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон: +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com