Den fatale feilen til GaN

Mens verden leter etter nye muligheter innen halvlederfeltet,Galliumnitrid (GaN)fortsetter å skille seg ut som en potensiell kandidat for fremtidige kraft- og RF-applikasjoner. Til tross for de mange fordelene, står GaN overfor en betydelig utfordring: fraværet av P-type produkter. Hvorfor er detGaNhyllet som det neste store halvledermaterialet, hvorfor er mangelen på P-type GaN-enheter en kritisk ulempe, og hva betyr dette for fremtidige design?

Hvorfor er detGaNHyllet som det neste store halvledermaterialet?

I elektronikkens rike har fire fakta vedvart siden de første elektroniske enhetene kom på markedet: de må gjøres så små som mulig, så billige som mulig, tilby så mye strøm som mulig og forbruke så lite strøm som mulig. Gitt at disse kravene ofte er i konflikt med hverandre, virker det som en dagdrøm å forsøke å lage den perfekte elektroniske enheten som oppfyller alle fire kravene. Dette har imidlertid ikke stoppet ingeniører fra å strebe etter å oppnå det.

Ved å bruke disse fire veiledende prinsippene har ingeniører klart å utføre en rekke tilsynelatende umulige oppgaver. Datamaskiner har krympet fra romstore maskiner til sjetonger som er mindre enn et riskorn, smarttelefoner muliggjør nå trådløs kommunikasjon og internettilgang, og virtual reality-systemer kan nå bæres og brukes uavhengig av en vert. Men etter hvert som ingeniører nærmer seg de fysiske grensene for ofte brukte materialer som silisium, har det blitt stadig mer utfordrende å gjøre enheter mindre og bruke mindre strøm.

Følgelig er forskere kontinuerlig på utkikk etter nye materialer som potensielt kan erstatte slike vanlige materialer og fortsette å tilby mindre, mer effektive enheter.Galliumnitrid (GaN)er et slikt materiale som har fått betydelig oppmerksomhet, og årsakene er tydelige sammenlignet med silisium.

Hva gjørGalliumnitridEksepsjonelt effektiv?

For det første er GaNs elektriske ledningsevne 1000 ganger høyere enn for silisium, noe som gjør at den kan operere ved høyere strømmer. Dette betyrGaNenheter kan kjøre på betydelig høyere effektnivåer uten å generere overdreven varme, noe som gjør at de kan gjøres mindre for en gitt effekt.

Til tross for GaNs litt lavere varmeledningsevne sammenlignet med silisium, baner varmestyringsfordelene vei for nye veier innen høyeffektelektronikk. Dette er spesielt avgjørende for applikasjoner der plassen er begrenset og kjøleløsninger må minimeres, for eksempel innen romfart og bilelektronikk.GaNenhetenes evne til å opprettholde ytelsen ved høye temperaturer fremhever ytterligere deres potensial i tøffe miljøapplikasjoner.

For det andre gjør GaNs større båndgap (3,4eV sammenlignet med 1,1eV) at den kan brukes ved høyere spenninger før dielektrisk sammenbrudd. FølgeligGaNgir ikke bare større kraft, men kan også operere ved høyere spenninger og samtidig opprettholde høyere effektivitet.

Høy elektronmobilitet tillater det ogsåGaNbrukes ved høyere frekvenser. Denne faktoren gjør GaN avgjørende for RF-strømapplikasjoner som opererer godt over GHz-området, som silisium sliter med å håndtere. Når det gjelder termisk ledningsevne, overgår imidlertid silisium noeGaN, noe som betyr at GaN-enheter har større termiske krav sammenlignet med silisiumenheter. Som et resultat begrenser mangelen på termisk ledningsevne evnen til å miniatyrisereGaNenheter for høyeffektoperasjoner, da større materialvolumer er nødvendig for varmeavledning.

Hva er den fatale feilen vedGaN— Mangel på P-type?

Å ha en halvleder som er i stand til å operere med høy effekt og høye frekvenser er utmerket. Til tross for alle fordelene, har GaN en stor feil som alvorlig hindrer dens evne til å erstatte silisium i mange applikasjoner: mangelen på P-type GaN-enheter.

Et av hovedformålene med disse nyoppdagede materialene er å forbedre effektiviteten betydelig og støtte høyere kraft og spenning, og det er ingen tvil om at gjeldendeGaNtransistorer kan oppnå dette. Men selv om individuelle GaN-transistorer faktisk kan gi noen imponerende egenskaper, er det faktum at alle gjeldende kommersielleGaNenheter er av N-type påvirker effektiviteten deres.

For å forstå hvorfor dette er tilfelle, må vi se på hvordan NMOS- og CMOS-logikk fungerer. På grunn av deres enkle produksjonsprosess og design, var NMOS-logikk en veldig populær teknologi på 1970- og 1980-tallet. Ved å bruke en enkelt motstand koblet mellom strømforsyningen og avløpet til en N-type MOS-transistor, kan porten til denne transistoren kontrollere dreneringsspenningen til MOS-transistoren, og effektivt implementere en IKKE-port. Når de kombineres med andre NMOS-transistorer, kan alle logiske elementer, inkludert AND, OR, XOR og latches, opprettes.

Men selv om denne teknologien er enkel, bruker den motstander for å gi strøm. Dette betyr at når NMOS-transistorer leder, kastes det bort en betydelig mengde strøm på motstandene. For en individuell port er dette strømtapet minimalt, men når det skaleres opp til en liten 8-bits CPU, kan dette strømtapet akkumuleres, oppvarme enheten og begrense antallet aktive komponenter på en enkelt brikke.

Hvordan utviklet NMOS-teknologien seg til CMOS?

På den annen side bruker CMOS P-type og N-type transistorer som fungerer synergistisk på motsatte måter. Uavhengig av inngangstilstanden til den logiske CMOS-porten, tillater ikke portens utgang en tilkobling fra strøm til jord, noe som reduserer strømtapet betydelig (akkurat som når N-typen leder, P-typen isolerer, og omvendt). Faktisk skjer det eneste reelle effekttapet i CMOS-kretser under tilstandsoverganger, der en forbigående forbindelse mellom strøm og jord dannes gjennom komplementære par.

Går tilbake tilGaNenheter, siden bare N-type enheter eksisterer, den eneste tilgjengelige teknologien forGaNer NMOS, som iboende er strømkrevende. Dette er ikke et problem for RF-forsterkere, men det er en stor ulempe for logiske kretser.

Ettersom det globale energiforbruket fortsetter å stige og miljøpåvirkningen av teknologi granskes nøye, har jakten på energieffektivitet innen elektronikk blitt mer kritisk enn noen gang. Strømforbruksbegrensningene til NMOS-teknologi understreker det presserende behovet for gjennombrudd innen halvledermaterialer for å tilby høy ytelse og høy energieffektivitet. Utviklingen av P-typeGaNeller alternative komplementære teknologier kan markere en betydelig milepæl i denne søken, og potensielt revolusjonere utformingen av energieffektive elektroniske enheter.

Interessant nok er det fullt mulig å produsere P-typeGaNenheter, og disse har blitt brukt i blå LED-lyskilder, inkludert Blu-ray. Men selv om disse enhetene er tilstrekkelige for optoelektroniske krav, er de langt fra ideelle for digital logikk og strømapplikasjoner. For eksempel det eneste praktiske dopemiddelet for produksjon av P-typeGaNenhetene er magnesium, men på grunn av den høye konsentrasjonen som kreves, kan hydrogen lett komme inn i strukturen under gløding, noe som påvirker materialets ytelse.

Derfor er fraværet av P-typeGaNenheter hindrer ingeniører i å fullt ut utnytte GaNs potensial som halvleder.

Hva betyr dette for fremtidige ingeniører?

For tiden studeres mange materialer, med en annen hovedkandidat er silisiumkarbid (SiC). LikeGaN, sammenlignet med silisium, gir den høyere driftsspenning, større sammenbruddsspenning og bedre ledningsevne. I tillegg gjør dens høye varmeledningsevne at den kan brukes ved ekstreme temperaturer og betydelig mindre størrelser samtidig som den kontrollerer større kraft.

Imidlertid i motsetning tilGaN, SiC er ikke egnet for høye frekvenser, noe som betyr at det neppe vil bli brukt til RF-applikasjoner. Derfor,GaNer fortsatt det foretrukne valget for ingeniører som ønsker å lage små effektforsterkere. En løsning på P-type problemet er å kombinereGaNmed P-type silisium MOS-transistorer. Selv om dette gir komplementære muligheter, begrenser det iboende GaNs frekvens og effektivitet.

Etter hvert som teknologien skrider frem, kan forskere etter hvert finne P-typeGaNenheter eller komplementære enheter som bruker forskjellige teknologier som kan kombineres med GaN. Men inntil den dagen kommer,GaNvil fortsette å være begrenset av vår tids teknologiske begrensninger.

Den tverrfaglige karakteren til halvlederforskning, som involverer materialvitenskap, elektroteknikk og fysikk, understreker den samarbeidsinnsatsen som er nødvendig for å overvinne de nåværende begrensningene tilGaNteknologi. Potensielle gjennombrudd i utviklingen av P-typeGaNeller å finne egnede komplementære materialer kan ikke bare forbedre ytelsen til GaN-baserte enheter, men også bidra til det bredere halvlederteknologilandskapet, og baner vei for mer effektive, kompakte og pålitelige elektroniske systemer i fremtiden.**

Vi i Semicorex produserer og leverer iGaNEpi-wafere og andre typer waferebrukt i halvlederproduksjon, hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com