Fatální chyba GaN

Zatímco svět hledá nové příležitosti v oblasti polovodičů,Gallium nitrid (GaN)nadále vystupuje jako potenciální kandidát pro budoucí energetické a RF aplikace. Navzdory četným výhodám však GaN čelí významné výzvě: absenci produktů typu P. Proč jeGaNproč je nedostatek zařízení GaN typu P kritickou nevýhodou a co to znamená pro budoucí návrhy?

Proč jeGaNVychvalován jako další hlavní polovodičový materiál?

V oblasti elektroniky přetrvaly od doby, kdy se první elektronická zařízení objevila na trhu, čtyři skutečnosti: je třeba je vyrábět co nejmenší, co nejlevnější, nabízet co největší výkon a spotřebovávat co nejméně energie. Vzhledem k tomu, že se tyto požadavky často vzájemně střetávají, zdá se pokus o vytvoření dokonalého elektronického zařízení, které splňuje všechny čtyři požadavky, jako sen. To však inženýrům nezabránilo ve snaze toho dosáhnout.

S využitím těchto čtyř hlavních principů se inženýrům podařilo splnit řadu zdánlivě nemožných úkolů. Počítače se ze strojů o velikosti místnosti zmenšily na čipy menší než zrnko rýže, chytré telefony nyní umožňují bezdrátovou komunikaci a přístup k internetu a systémy virtuální reality lze nyní nosit a používat nezávisle na hostiteli. Jak se však inženýři blíží fyzikálním limitům běžně používaných materiálů, jako je křemík, zmenšování zařízení a spotřebovávání méně energie je stále náročnější.

V důsledku toho výzkumníci neustále hledají nové materiály, které by mohly potenciálně nahradit takové běžné materiály a nadále nabízet menší a účinnější zařízení.Gallium nitrid (GaN)je jedním z takových materiálů, který si získal značnou pozornost, a důvody jsou zřejmé ve srovnání s křemíkem.

Co děláGallium nitridVýjimečně efektivní?

Za prvé, elektrická vodivost GaN je 1000krát vyšší než u křemíku, což mu umožňuje pracovat při vyšších proudech. To znamenáGaNzařízení mohou běžet při výrazně vyšších úrovních výkonu, aniž by generovaly nadměrné teplo, což umožňuje jejich zmenšení pro daný výstupní výkon.

Navzdory mírně nižší tepelné vodivosti GaN ve srovnání s křemíkem, jeho výhody tepelného managementu dláždí cestu pro nové cesty ve vysoce výkonné elektronice. To je zvláště důležité pro aplikace, kde je prostor na prvním místě a kde je třeba minimalizovat řešení chlazení, jako je elektronika pro letectví a automobily.GaNschopnost zařízení udržet si výkon při vysokých teplotách dále zdůrazňuje jejich potenciál v náročných prostředích.

Za druhé, větší pásmová mezera GaN (3,4 eV ve srovnání s 1,1 eV) umožňuje jeho použití při vyšších napětích před dielektrickým průrazem. v důsledku tohoGaNnabízí nejen vyšší výkon, ale může také pracovat při vyšším napětí při zachování vyšší účinnosti.

Vysoká mobilita elektronů také umožňujeGaNpro použití na vyšších frekvencích. Díky tomuto faktoru je GaN nezbytný pro aplikace RF napájení, které pracují výrazně nad rozsahem GHz, se kterým se křemíku jen obtížně pracuje. Z hlediska tepelné vodivosti však křemík mírně předčíGaN, což znamená, že zařízení GaN mají vyšší tepelné požadavky ve srovnání s křemíkovými zařízeními. V důsledku toho nedostatek tepelné vodivosti omezuje schopnost miniaturizaceGaNzařízení pro vysoce výkonné provozy, protože pro odvod tepla jsou potřeba větší objemy materiálu.

V čem spočívá fatální chybaGaN—Nedostatek typu P?

Mít polovodič schopný pracovat při vysokém výkonu a vysokých frekvencích je vynikající. Přes všechny své výhody má však GaN jednu zásadní chybu, která vážně brání jeho schopnosti nahradit křemík v mnoha aplikacích: nedostatek zařízení GaN typu P.

Jedním z hlavních účelů těchto nově objevených materiálů je výrazně zlepšit účinnost a podpořit vyšší výkon a napětí a není pochyb o tom, že proudGaNtranzistory toho mohou dosáhnout. Nicméně, ačkoli jednotlivé GaN tranzistory mohou skutečně poskytnout některé působivé vlastnosti, skutečnost, že všechny současné komerčníGaNzařízení typu N ovlivňuje jejich účinnost.

Abychom pochopili, proč tomu tak je, musíme se podívat na to, jak funguje logika NMOS a CMOS. Díky jednoduchému výrobnímu procesu a designu byla logika NMOS v 70. a 80. letech velmi populární technologií. Použitím jediného rezistoru připojeného mezi napájecí zdroj a kolektor MOS tranzistoru typu N může hradlo tohoto tranzistoru řídit napájecí napětí tranzistoru MOS a účinně implementovat hradlo NOT. V kombinaci s jinými tranzistory NMOS lze vytvořit všechny logické prvky, včetně AND, OR, XOR a západek.

I když je tato technologie jednoduchá, k napájení využívá rezistory. To znamená, že při vedení tranzistorů NMOS se na rezistory plýtvá značné množství energie. U jednotlivé brány je tato ztráta energie minimální, ale při škálování na malý 8bitový CPU se tato ztráta energie může akumulovat, zahřívat zařízení a omezovat počet aktivních komponent na jednom čipu.

Jak se technologie NMOS vyvinula na CMOS?

Na druhou stranu CMOS používá tranzistory typu P a N, které fungují synergicky opačným způsobem. Bez ohledu na vstupní stav logického hradla CMOS výstup hradla neumožňuje připojení napájení k zemi, což výrazně snižuje ztrátu výkonu (stejně jako když typ N vede, typ P izoluje a naopak). Ve skutečnosti k jediné skutečné ztrátě výkonu v obvodech CMOS dochází během stavových přechodů, kde se přechodné spojení mezi napájením a zemí tvoří prostřednictvím komplementárních párů.

Návrat kGaNzařízení, protože v současnosti existují pouze zařízení typu N, jediná dostupná technologie proGaNje NMOS, který je ze své podstaty energeticky náročný. To není problém pro RF zesilovače, ale je to hlavní nevýhoda logických obvodů.

Vzhledem k tomu, že celosvětová spotřeba energie neustále roste a dopad technologií na životní prostředí je pečlivě sledován, je snaha o energetickou účinnost v elektronice kritičtější než kdy dříve. Omezení spotřeby energie technologie NMOS podtrhují naléhavou potřebu průlomu v oblasti polovodičových materiálů, které by nabídly vysoký výkon a vysokou energetickou účinnost. Vývoj P-typuGaNnebo alternativní doplňkové technologie by mohly znamenat významný milník v tomto hledání, potenciálně převrat v konstrukci energeticky účinných elektronických zařízení.

Zajímavé je, že je zcela možné vyrobit typ PGaNzařízení, a ty byly použity v modrých LED světelných zdrojích, včetně Blu-ray. I když jsou tato zařízení dostatečná pro optoelektronické požadavky, nejsou zdaleka ideální pro aplikace digitální logiky a napájení. Například jediná praktická příměs pro výrobu typu PGaNzařízení je hořčík, ale kvůli požadované vysoké koncentraci může vodík během žíhání snadno vstupovat do struktury, což ovlivňuje výkon materiálu.

Proto absence P-typuGaNzařízení brání inženýrům plně využít potenciál GaN jako polovodiče.

Co to znamená pro budoucí inženýry?

V současné době se studuje mnoho materiálů, dalším významným kandidátem je karbid křemíku (SiC). JakoGaN, ve srovnání s křemíkem nabízí vyšší provozní napětí, větší průrazné napětí a lepší vodivost. Navíc jeho vysoká tepelná vodivost umožňuje jeho použití při extrémních teplotách a výrazně menších velikostech při řízení většího výkonu.

Nicméně na rozdíl odGaNSiC není vhodný pro vysoké frekvence, což znamená, že je nepravděpodobné, že bude použit pro RF aplikace. Proto,GaNzůstává preferovanou volbou pro inženýry, kteří chtějí vytvořit malé výkonové zesilovače. Jedním z řešení problému typu P je kombinaceGaNs křemíkovými MOS tranzistory typu P. I když to poskytuje doplňkové schopnosti, inherentně to omezuje frekvenci a účinnost GaN.

Jak technologie postupuje, výzkumníci mohou nakonec najít P-typGaNzařízení nebo doplňková zařízení využívající různé technologie, které lze kombinovat s GaN. Dokud však ten den nepřijde,GaNbude i nadále omezována technologickými omezeními naší doby.

Interdisciplinární povaha výzkumu polovodičů, zahrnující vědu o materiálech, elektrotechniku ​​a fyziku, podtrhuje společné úsilí potřebné k překonání současných omezeníGaNtechnologie. Potenciální průlomy ve vývoji typu PGaNnebo nalezení vhodných doplňkových materiálů by mohlo nejen zvýšit výkon zařízení na bázi GaN, ale také přispět k širšímu poli polovodičových technologií a připravit cestu pro efektivnější, kompaktnější a spolehlivější elektronické systémy v budoucnosti.**

My v Semicorex vyrábíme a dodáváme vGaNEpi-wafery a další typy waferůpoužívá se při výrobě polovodičů, pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com