De fatale fout van GaN

Terwijl de wereld zoekt naar nieuwe kansen op het gebied van halfgeleiders,Galliumnitride (GaN)blijft zich onderscheiden als potentiële kandidaat voor toekomstige stroom- en RF-toepassingen. Ondanks de talrijke voordelen staat GaN echter voor een aanzienlijke uitdaging: de afwezigheid van producten van het P-type. Waarom isGaNgeprezen als het volgende grote halfgeleidermateriaal, waarom is het ontbreken van P-type GaN-apparaten een cruciaal nadeel, en wat betekent dit voor toekomstige ontwerpen?

Waarom isGaNGeprezen als het volgende grote halfgeleidermateriaal?

Op het gebied van de elektronica zijn er vier feiten blijven bestaan ​​sinds de eerste elektronische apparaten op de markt kwamen: ze moeten zo klein mogelijk worden gemaakt, zo goedkoop mogelijk, zoveel mogelijk stroom bieden en zo min mogelijk stroom verbruiken. Aangezien deze vereisten vaak met elkaar in conflict zijn, lijkt het een dagdroom om het perfecte elektronische apparaat te creëren dat aan alle vier de vereisten voldoet. Dit heeft ingenieurs er echter niet van weerhouden ernaar te streven dit te bereiken.

Met behulp van deze vier leidende principes zijn ingenieurs erin geslaagd een verscheidenheid aan schijnbaar onmogelijke taken uit te voeren. Computers zijn gekrompen van kamergrote machines tot chips die kleiner zijn dan een rijstkorrel, smartphones maken nu draadloze communicatie en internettoegang mogelijk, en virtual reality-systemen kunnen nu onafhankelijk van een host worden gedragen en gebruikt. Nu ingenieurs echter de fysieke grenzen van veelgebruikte materialen zoals silicium naderen, wordt het steeds uitdagender om apparaten kleiner te maken en minder stroom te verbruiken.

Daarom zijn onderzoekers voortdurend op zoek naar nieuwe materialen die dergelijke veel voorkomende materialen zouden kunnen vervangen en kleinere, efficiëntere apparaten kunnen blijven aanbieden.Galliumnitride (GaN)is zo'n materiaal dat veel aandacht heeft gekregen, en de redenen zijn duidelijk in vergelijking met silicium.

Wat maaktGalliumnitrideUitzonderlijk efficiënt?

Ten eerste is de elektrische geleidbaarheid van GaN 1000 keer hoger dan die van silicium, waardoor het bij hogere stromen kan werken. Dit betekentGaNapparaten kunnen op aanzienlijk hogere vermogensniveaus werken zonder overmatige hitte te genereren, waardoor ze kleiner kunnen worden gemaakt voor een bepaald vermogen.

Ondanks de iets lagere thermische geleidbaarheid van GaN in vergelijking met silicium, maken de voordelen van GaN op het gebied van warmtebeheer de weg vrij voor nieuwe wegen in de krachtige elektronica. Dit is met name van cruciaal belang voor toepassingen waar ruimte schaars is en koeloplossingen moeten worden geminimaliseerd, zoals in de lucht- en ruimtevaart en auto-elektronica.GaNHet vermogen van apparaten om de prestaties bij hoge temperaturen te behouden onderstreept nog eens hun potentieel in toepassingen in ruwe omgevingen.

Ten tweede maakt de grotere bandafstand van GaN (3,4 eV vergeleken met 1,1 eV) het mogelijk om het bij hogere spanningen te gebruiken voordat er een diëlektrische doorslag optreedt. Vervolgens,GaNbiedt niet alleen meer vermogen, maar kan ook op hogere spanningen werken met behoud van een hoger rendement.

Hoge elektronenmobiliteit maakt dit ook mogelijkGaNte gebruiken bij hogere frequenties. Deze factor maakt GaN essentieel voor RF-stroomtoepassingen die ver boven het GHz-bereik werken, waar silicium moeite mee heeft. Wat de thermische geleidbaarheid betreft, presteert silicium echter iets beterGaNDit betekent dat GaN-apparaten hogere thermische eisen stellen dan siliciumapparaten. Als gevolg hiervan beperkt het gebrek aan thermische geleidbaarheid het vermogen tot miniaturisatieGaNapparaten voor toepassingen met hoog vermogen, omdat grotere materiaalvolumes nodig zijn voor warmteafvoer.

Wat is de fatale fout vanGaN—Gebrek aan P-type?

Het is uitstekend om een ​​halfgeleider te hebben die met een hoog vermogen en hoge frequenties kan werken. Ondanks al zijn voordelen heeft GaN echter één groot minpunt dat zijn vermogen om silicium in veel toepassingen te vervangen ernstig belemmert: het ontbreken van GaN-apparaten van het P-type.

Een van de hoofddoelen van deze nieuw ontdekte materialen is het aanzienlijk verbeteren van de efficiëntie en het ondersteunen van hogere vermogens en spanningen. Er bestaat geen twijfel dat de huidigeGaNtransistors kunnen dit bereiken. Hoewel individuele GaN-transistors inderdaad een aantal indrukwekkende kenmerken kunnen bieden, is het feit dat ze allemaal commercieel zijnGaNapparaten van het N-type zijn, beïnvloedt hun efficiëntiemogelijkheden.

Om te begrijpen waarom dit het geval is, moeten we kijken naar hoe NMOS- en CMOS-logica werken. Vanwege hun eenvoudige productieproces en ontwerp was NMOS-logica een zeer populaire technologie in de jaren zeventig en tachtig. Door een enkele weerstand te gebruiken die is aangesloten tussen de voeding en de drain van een N-type MOS-transistor, kan de gate van deze transistor de drainspanning van de MOS-transistor regelen, waardoor effectief een NOT-poort wordt geïmplementeerd. In combinatie met andere NMOS-transistors kunnen alle logische elementen, inclusief AND, OR, XOR en grendels, worden gecreëerd.

Hoewel deze technologie eenvoudig is, worden er weerstanden gebruikt om stroom te leveren. Dit betekent dat wanneer NMOS-transistors geleiden, er een aanzienlijke hoeveelheid stroom aan de weerstanden wordt verspild. Voor een individuele poort is dit vermogensverlies minimaal, maar wanneer het wordt opgeschaald naar een kleine 8-bit CPU kan dit vermogensverlies zich ophopen, waardoor het apparaat wordt verwarmd en het aantal actieve componenten op een enkele chip wordt beperkt.

Hoe evolueerde NMOS-technologie naar CMOS?

Aan de andere kant gebruikt CMOS P-type en N-type transistors die synergetisch op tegengestelde manieren werken. Ongeacht de ingangsstatus van de logische CMOS-poort, staat de uitgang van de poort geen verbinding van voeding naar aarde toe, waardoor het vermogensverlies aanzienlijk wordt verminderd (net zoals wanneer het N-type geleidt, het P-type isoleert en vice versa). In feite treedt het enige echte vermogensverlies in CMOS-circuits op tijdens toestandsovergangen, waarbij een voorbijgaande verbinding tussen voeding en aarde wordt gevormd via complementaire paren.

Terugkerend naarGaNapparaten, aangezien er momenteel alleen apparaten van het N-type bestaan, de enige beschikbare technologie voorGaNis NMOS, dat inherent hongerig is naar energie. Dit is geen probleem voor RF-versterkers, maar het is een groot nadeel voor logische circuits.

Nu het mondiale energieverbruik blijft stijgen en de gevolgen van technologie voor het milieu nauwlettend in de gaten worden gehouden, is het streven naar energie-efficiëntie in de elektronica belangrijker dan ooit geworden. De beperkingen op het gebied van energieverbruik van NMOS-technologie onderstrepen de dringende behoefte aan doorbraken in halfgeleidermaterialen die hoge prestaties en hoge energie-efficiëntie bieden. De ontwikkeling van het P-typeGaNof alternatieve complementaire technologieën zouden een belangrijke mijlpaal in deze zoektocht kunnen betekenen, en mogelijk een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van energie-efficiënte elektronische apparaten.

Interessant genoeg is het heel goed mogelijk om het P-type te vervaardigenGaNapparaten, en deze zijn gebruikt in blauwe LED-lichtbronnen, waaronder Blu-ray. Hoewel deze apparaten voldoende zijn voor opto-elektronische vereisten, zijn ze verre van ideaal voor digitale logica en stroomtoepassingen. Bijvoorbeeld het enige praktische doteringsmiddel voor de productie van het P-typeGaNapparaten is magnesium, maar vanwege de hoge vereiste concentratie kan waterstof tijdens het uitgloeien gemakkelijk de structuur binnendringen, wat de prestaties van het materiaal beïnvloedt.

Daarom de afwezigheid van het P-typeGaNapparaten verhinderen dat ingenieurs het potentieel van GaN als halfgeleider volledig kunnen benutten.

Wat betekent dit voor toekomstige ingenieurs?

Momenteel worden veel materialen bestudeerd, waarbij siliciumcarbide (SiC) een andere belangrijke kandidaat is. Leuk vindenGaNIn vergelijking met silicium biedt het een hogere bedrijfsspanning, een grotere doorslagspanning en een betere geleiding. Bovendien maakt de hoge thermische geleidbaarheid het mogelijk om te worden gebruikt bij extreme temperaturen en aanzienlijk kleinere afmetingen, terwijl een groter vermogen wordt geregeld.

Echter, in tegenstelling totGaNSiC is niet geschikt voor hoge frequenties, wat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat het voor RF-toepassingen zal worden gebruikt. Daarom,GaNblijft de voorkeurskeuze voor ingenieurs die kleine eindversterkers willen maken. Eén oplossing voor het P-type-probleem is combinerenGaNmet P-type silicium MOS-transistors. Hoewel dit aanvullende mogelijkheden biedt, beperkt het inherent de frequentie en efficiëntie van GaN.

Naarmate de technologie vordert, kunnen onderzoekers uiteindelijk het P-type vindenGaNapparaten of aanvullende apparaten die gebruik maken van verschillende technologieën die kunnen worden gecombineerd met GaN. Maar tot die dag aanbreekt,GaNzal beperkt blijven door de technologische beperkingen van onze tijd.

Het interdisciplinaire karakter van halfgeleideronderzoek, waarbij materiaalkunde, elektrotechniek en natuurkunde betrokken zijn, onderstreept de gezamenlijke inspanningen die nodig zijn om de huidige beperkingen van de technologie te overwinnen.GaNtechnologie. Potentiële doorbraken in de ontwikkeling van het P-typeGaNof het vinden van geschikte complementaire materialen zou niet alleen de prestaties van op GaN gebaseerde apparaten kunnen verbeteren, maar ook kunnen bijdragen aan het bredere landschap van halfgeleidertechnologie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor efficiëntere, compacte en betrouwbare elektronische systemen in de toekomst.**

Wij van Semicorex produceren en leveren inGaNEpi-wafels en andere soorten wafelstoegepast in de productie van halfgeleiders. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Contacttelefoon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com