Det fatala felet i GaN

När världen letar efter nya möjligheter inom halvledarområdet,Galliumnitrid (GaN)fortsätter att framstå som en potentiell kandidat för framtida kraft- och RF-tillämpningar. Men trots sina många fördelar står GaN inför en betydande utmaning: frånvaron av produkter av P-typ. Varför är detGaNhyllas som nästa stora halvledarmaterial, varför är bristen på P-typ GaN-enheter en kritisk nackdel, och vad betyder detta för framtida konstruktioner?

Varför är detGaNHyllad som nästa stora halvledarmaterial?

Inom elektronikområdet har fyra fakta kvarstått sedan de första elektroniska enheterna kom ut på marknaden: de måste göras så små som möjligt, så billiga som möjligt, erbjuda så mycket ström som möjligt och förbruka så lite ström som möjligt. Med tanke på att dessa krav ofta står i konflikt med varandra verkar det som en dagdröm att försöka skapa den perfekta elektroniska enheten som uppfyller alla fyra kraven. Detta har dock inte hindrat ingenjörer från att sträva efter att uppnå det.

Genom att använda dessa fyra vägledande principer har ingenjörer lyckats utföra en mängd till synes omöjliga uppgifter. Datorer har krympt från rumstora maskiner till chips som är mindre än ett riskorn, smartphones möjliggör nu trådlös kommunikation och internetåtkomst, och virtual reality-system kan nu bäras och användas oberoende av en värd. Men när ingenjörer närmar sig de fysiska gränserna för vanliga material som kisel, har det blivit alltmer utmanande att göra enheter mindre och förbruka mindre ström.

Följaktligen är forskare ständigt på jakt efter nya material som potentiellt kan ersätta sådana vanliga material och fortsätta att erbjuda mindre, mer effektiva enheter.Galliumnitrid (GaN)är ett sådant material som har fått stor uppmärksamhet, och orsakerna är uppenbara jämfört med kisel.

Vad görGalliumnitridExceptionellt effektiv?

För det första är GaN:s elektriska ledningsförmåga 1 000 gånger högre än den för kisel, vilket gör att den kan arbeta vid högre strömmar. Detta betyderGaNenheter kan köras med betydligt högre effektnivåer utan att generera överdriven värme, vilket gör att de kan göras mindre för en given effekt.

Trots GaNs något lägre värmeledningsförmåga jämfört med kisel, banar dess fördelar med värmehantering väg för nya vägar inom högeffektelektronik. Detta är särskilt viktigt för applikationer där utrymmet är otillräckligt och kyllösningar måste minimeras, till exempel inom flyg- och bilelektronik.GaNenheternas förmåga att bibehålla prestanda vid höga temperaturer framhäver ytterligare deras potential i tuffa miljötillämpningar.

För det andra tillåter GaN:s större bandgap (3,4 eV jämfört med 1,1 eV) att den kan användas vid högre spänningar före dielektriskt genombrott. Följaktligen,GaNger inte bara större effekt utan kan också arbeta vid högre spänningar med bibehållen högre effektivitet.

Hög elektronrörlighet tillåter ocksåGaNatt användas vid högre frekvenser. Denna faktor gör GaN väsentligt för RF-kraftapplikationer som fungerar långt över GHz-intervallet, vilket kisel har svårt att hantera. Men när det gäller värmeledningsförmåga överträffar kisel någotGaN, vilket innebär att GaN-enheter har större termiska krav jämfört med silikonenheter. Som ett resultat begränsar bristen på värmeledningsförmåga förmågan att miniatyriseraGaNanordningar för högeffektsdrift, eftersom större materialvolymer behövs för värmeavledning.

Vad är det fatala felet påGaN— Brist på P-typ?

Att ha en halvledare som kan arbeta med hög effekt och höga frekvenser är utmärkt. Men trots alla dess fördelar har GaN en stor brist som allvarligt hindrar dess förmåga att ersätta kisel i många applikationer: bristen på P-typ GaN-enheter.

Ett av huvudsyften med dessa nyupptäckta material är att avsevärt förbättra effektiviteten och stödja högre effekt och spänning, och det råder ingen tvekan om att nuvarandeGaNtransistorer kan uppnå detta. Men även om enskilda GaN-transistorer verkligen kan ge några imponerande egenskaper, är det faktum att alla nuvarande kommersiellaGaNenheter är av N-typ påverkar deras effektivitetsförmåga.

För att förstå varför det är så måste vi titta på hur NMOS- och CMOS-logik fungerar. På grund av deras enkla tillverkningsprocess och design var NMOS-logik en mycket populär teknik på 1970- och 1980-talen. Genom att använda ett enda motstånd anslutet mellan strömförsörjningen och kollektorn för en MOS-transistor av N-typ, kan denna transistors gate styra dräneringsspänningen för MOS-transistorn, vilket effektivt implementerar en NOT-grind. När de kombineras med andra NMOS-transistorer kan alla logiska element, inklusive AND, OR, XOR och latches, skapas.

Men även om denna teknik är enkel, använder den motstånd för att ge ström. Detta innebär att när NMOS-transistorer leder slösas en betydande mängd ström bort på motstånden. För en enskild gate är denna strömförlust minimal, men när den skalas upp till en liten 8-bitars CPU kan denna strömförlust ackumuleras, vilket värmer upp enheten och begränsar antalet aktiva komponenter på ett enda chip.

Hur utvecklades NMOS-tekniken till CMOS?

Å andra sidan använder CMOS P-typ och N-typ transistorer som fungerar synergistiskt på motsatta sätt. Oavsett ingångstillståndet för CMOS-logikgrinden tillåter inte grindens utgång en anslutning från ström till jord, vilket avsevärt minskar effektförlusten (precis som när N-typen leder, P-typen isolerar och vice versa). Faktum är att den enda verkliga effektförlusten i CMOS-kretsar inträffar under tillståndsövergångar, där en transient förbindelse mellan effekt och jord bildas genom komplementära par.

Återvänder tillGaNenheter, eftersom det för närvarande bara finns enheter av N-typ, den enda tillgängliga tekniken förGaNär NMOS, som i sig är kraftkrävande. Detta är inte ett problem för RF-förstärkare, men det är en stor nackdel för logiska kretsar.

När den globala energiförbrukningen fortsätter att öka och teknikens miljöpåverkan granskas noggrant, har strävan efter energieffektivitet inom elektronik blivit mer kritisk än någonsin. Strömförbrukningsbegränsningarna hos NMOS-tekniken understryker det akuta behovet av genombrott inom halvledarmaterial för att erbjuda hög prestanda och hög energieffektivitet. Utvecklingen av P-typGaNeller alternativa kompletterande teknologier skulle kunna markera en betydande milstolpe i denna strävan, som potentiellt revolutionerar designen av energieffektiva elektroniska enheter.

Intressant nog är det fullt möjligt att tillverka P-typGaNenheter, och dessa har använts i blå LED-ljuskällor, inklusive Blu-ray. Men även om dessa enheter är tillräckliga för optoelektroniska krav, är de långt ifrån idealiska för digital logik och krafttillämpningar. Till exempel det enda praktiska dopningsmedlet för tillverkning av P-typGaNenheter är magnesium, men på grund av den höga koncentrationen som krävs kan väte lätt komma in i strukturen under glödgning, vilket påverkar materialets prestanda.

Därför frånvaron av P-typGaNenheter hindrar ingenjörer från att fullt ut utnyttja GaN:s potential som halvledare.

Vad betyder detta för framtida ingenjörer?

För närvarande studeras många material, med en annan stor kandidat är kiselkarbid (SiC). SomGaN, jämfört med kisel, erbjuder den högre driftsspänning, högre genombrottsspänning och bättre konduktivitet. Dessutom gör dess höga värmeledningsförmåga att den kan användas vid extrema temperaturer och betydligt mindre storlekar samtidigt som den kontrollerar större effekt.

Dock till skillnad frånGaN, SiC är inte lämplig för höga frekvenser, vilket innebär att det är osannolikt att det kommer att användas för RF-tillämpningar. Därför,GaNär fortfarande det föredragna valet för ingenjörer som vill skapa små effektförstärkare. En lösning på problemet med P-typ är att kombineraGaNmed MOS-transistorer av P-typ. Även om detta ger kompletterande möjligheter, begränsar det i sig GaNs frekvens och effektivitet.

När tekniken går framåt kan forskare så småningom hitta P-typGaNenheter eller kompletterande enheter som använder olika teknologier som kan kombineras med GaN. Men tills den dagen kommer,GaNkommer att fortsätta att begränsas av vår tids tekniska begränsningar.

Den tvärvetenskapliga karaktären hos halvledarforskning, som involverar materialvetenskap, elektroteknik och fysik, understryker de samarbetsinsatser som krävs för att övervinna de nuvarande begränsningarna hosGaNteknologi. Potentiella genombrott i utvecklingen av P-typGaNeller att hitta lämpliga kompletterande material kan inte bara förbättra prestandan hos GaN-baserade enheter utan också bidra till det bredare halvledarteknologiska landskapet, vilket banar väg för mer effektiva, kompakta och pålitliga elektroniska system i framtiden.**

Vi på Semicorex tillverkar och levererar iGaNEpi-wafers och andra typer av waferstillämpas i halvledartillverkning, om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com