Den fatale fejl ved GaN

Mens verden leder efter nye muligheder inden for halvlederområdet,Galliumnitrid (GaN)fortsætter med at skille sig ud som en potentiel kandidat til fremtidige strøm- og RF-applikationer. På trods af dets mange fordele står GaN imidlertid over for en betydelig udfordring: fraværet af P-type produkter. Hvorfor erGaNhyldet som det næste store halvledermateriale, hvorfor er manglen på P-type GaN-enheder en kritisk ulempe, og hvad betyder det for fremtidige designs?

Hvorfor erGaNHyldet som det næste store halvledermateriale?

Inden for elektronikken har fire kendsgerninger bestået, siden de første elektroniske enheder kom på markedet: De skal laves så små som muligt, så billige som muligt, tilbyde så meget strøm som muligt og forbruger så lidt strøm som muligt. I betragtning af at disse krav ofte er i konflikt med hinanden, virker det som en dagdrøm at forsøge at skabe den perfekte elektroniske enhed, der opfylder alle fire krav. Dette har dog ikke afholdt ingeniører fra at stræbe efter at opnå det.

Ved at bruge disse fire vejledende principper har ingeniører formået at udføre en række tilsyneladende umulige opgaver. Computere er skrumpet fra maskiner i rumstørrelse til chips, der er mindre end et riskorn, smartphones muliggør nu trådløs kommunikation og internetadgang, og virtual reality-systemer kan nu bæres og bruges uafhængigt af en vært. Men efterhånden som ingeniører nærmer sig de fysiske grænser for almindeligt anvendte materialer som silicium, er det blevet stadig mere udfordrende at gøre enheder mindre og forbruger mindre strøm.

Derfor er forskere konstant på udkig efter nye materialer, der potentielt kan erstatte sådanne almindelige materialer og fortsætte med at tilbyde mindre, mere effektive enheder.Galliumnitrid (GaN)er et sådant materiale, der har fået stor opmærksomhed, og årsagerne er tydelige i forhold til silicium.

Hvad gørGalliumnitridUsædvanligt effektiv?

For det første er GaNs elektriske ledningsevne 1000 gange højere end siliciums, hvilket gør det muligt for det at fungere ved højere strømme. Dette betyderGaNenheder kan køre med betydeligt højere effektniveauer uden at generere overdreven varme, hvilket gør det muligt at gøre dem mindre for en given effekt.

På trods af GaNs lidt lavere termiske ledningsevne sammenlignet med silicium, baner dens varmestyringsfordele vejen for nye veje inden for højeffektelektronik. Dette er især afgørende for applikationer, hvor pladsen er begrænset, og køleløsninger skal minimeres, såsom inden for rumfart og bilelektronik.GaNenhedernes evne til at opretholde ydeevnen ved høje temperaturer fremhæver yderligere deres potentiale i barske miljøapplikationer.

For det andet tillader GaNs større båndgab (3,4 eV sammenlignet med 1,1 eV) det at blive brugt ved højere spændinger før dielektrisk nedbrud. FølgeligGaNgiver ikke kun større effekt, men kan også fungere ved højere spændinger og samtidig bevare en højere effektivitet.

Høj elektronmobilitet tillader det ogsåGaNskal bruges ved højere frekvenser. Denne faktor gør GaN afgørende for RF-strømapplikationer, der fungerer langt over GHz-området, som silicium har svært ved at håndtere. Med hensyn til termisk ledningsevne overgår silicium dog en smuleGaN, hvilket betyder, at GaN-enheder har større termiske krav sammenlignet med silicium-enheder. Som et resultat begrænser manglen på termisk ledningsevne evnen til at miniaturisereGaNenheder til højeffektoperationer, da større materialevolumener er nødvendige for varmeafledning.

Hvad er den fatale fejlGaN— Mangel på P-type?

At have en halvleder, der er i stand til at fungere ved høj effekt og høje frekvenser, er fremragende. På trods af alle dets fordele har GaN en stor fejl, der alvorligt hæmmer dens evne til at erstatte silicium i mange applikationer: manglen på P-type GaN-enheder.

Et af hovedformålene med disse nyopdagede materialer er at forbedre effektiviteten væsentligt og understøtte højere effekt og spænding, og der er ingen tvivl om, at nuværendeGaNtransistorer kan opnå dette. Men selvom individuelle GaN-transistorer faktisk kan give nogle imponerende egenskaber, er det faktum, at alle nuværende kommercielleGaNenheder er N-type, påvirker deres effektivitetsevner.

For at forstå, hvorfor dette er tilfældet, skal vi se på, hvordan NMOS- og CMOS-logik fungerer. På grund af deres enkle fremstillingsproces og design var NMOS-logik en meget populær teknologi i 1970'erne og 1980'erne. Ved at bruge en enkelt modstand forbundet mellem strømforsyningen og afløbet af en N-type MOS-transistor, kan denne transistors gate styre afløbsspændingen af ​​MOS-transistoren, hvilket effektivt implementerer en NOT-gate. Når de kombineres med andre NMOS-transistorer, kan alle logiske elementer, inklusive AND, OR, XOR og latches, oprettes.

Men selvom denne teknologi er enkel, bruger den modstande til at levere strøm. Det betyder, at når NMOS-transistorer leder, spildes en betydelig mængde strøm på modstandene. For en individuel gate er dette strømtab minimalt, men når det skaleres op til en lille 8-bit CPU, kan dette strømtab akkumulere, opvarme enheden og begrænse antallet af aktive komponenter på en enkelt chip.

Hvordan udviklede NMOS-teknologien sig til CMOS?

På den anden side bruger CMOS P-type og N-type transistorer, der fungerer synergistisk på modsatte måder. Uanset indgangstilstanden for den logiske CMOS-gate, tillader portens udgang ikke en forbindelse fra strøm til jord, hvilket reducerer effekttabet betydeligt (ligesom når N-typen leder, P-typen isolerer og omvendt). Faktisk forekommer det eneste reelle effekttab i CMOS-kredsløb under tilstandsovergange, hvor en transient forbindelse mellem strøm og jord dannes gennem komplementære par.

Vender tilbage tilGaNenheder, da der i øjeblikket kun findes enheder af N-typen, den eneste tilgængelige teknologi tilGaNer NMOS, som i sagens natur er strømkrævende. Dette er ikke et problem for RF-forstærkere, men det er en stor ulempe for logiske kredsløb.

Efterhånden som det globale energiforbrug fortsætter med at stige, og teknologiens miljøpåvirkning bliver nøje undersøgt, er stræben efter energieffektivitet i elektronik blevet mere kritisk end nogensinde. NMOS-teknologiens strømforbrugsbegrænsninger understreger det presserende behov for gennembrud inden for halvledermaterialer for at tilbyde høj ydeevne og høj energieffektivitet. Udviklingen af ​​P-typeGaNeller alternative komplementære teknologier kunne markere en væsentlig milepæl i denne søgen, der potentielt revolutionerer designet af energieffektive elektroniske enheder.

Interessant nok er det fuldt ud muligt at fremstille P-typeGaNenheder, og disse er blevet brugt i blå LED-lyskilder, herunder Blu-ray. Selvom disse enheder er tilstrækkelige til optoelektroniske krav, er de dog langt fra ideelle til digital logik og strømapplikationer. For eksempel det eneste praktiske dopingmiddel til fremstilling af P-typeGaNenheder er magnesium, men på grund af den høje koncentration, der kræves, kan brint nemt trænge ind i strukturen under udglødning, hvilket påvirker materialets ydeevne.

Derfor er fraværet af P-typeGaNenheder forhindrer ingeniører i fuldt ud at udnytte GaNs potentiale som halvleder.

Hvad betyder det for fremtidige ingeniører?

På nuværende tidspunkt bliver mange materialer undersøgt, med en anden stor kandidat er siliciumcarbid (SiC). LigesomGaNsammenlignet med silicium giver det højere driftsspænding, større gennembrudsspænding og bedre ledningsevne. Derudover gør dens høje varmeledningsevne, at den kan bruges ved ekstreme temperaturer og betydeligt mindre størrelser, mens den kontrollerer større effekt.

Dog i modsætning tilGaN, SiC er ikke egnet til høje frekvenser, hvilket betyder, at det er usandsynligt, at det vil blive brugt til RF-applikationer. Derfor,GaNforbliver det foretrukne valg for ingeniører, der ønsker at skabe små effektforstærkere. En løsning på P-type-problemet er at kombinereGaNmed P-type silicium MOS transistorer. Selvom dette giver komplementære muligheder, begrænser det i sagens natur GaNs frekvens og effektivitet.

Efterhånden som teknologien udvikler sig, kan forskere i sidste ende finde P-typeGaNenheder eller komplementære enheder, der bruger forskellige teknologier, der kan kombineres med GaN. Men indtil den dag kommer,GaNvil fortsat være begrænset af vor tids teknologiske begrænsninger.

Den tværfaglige karakter af halvlederforskning, der involverer materialevidenskab, elektroteknik og fysik, understreger den fælles indsats, der er nødvendig for at overvinde de nuværende begrænsninger iGaNteknologi. Potentielle gennembrud i udviklingen af ​​P-typeGaNeller at finde egnede komplementære materialer kan ikke kun forbedre ydeevnen af ​​GaN-baserede enheder, men også bidrage til det bredere halvlederteknologiske landskab og bane vejen for mere effektive, kompakte og pålidelige elektroniske systemer i fremtiden.**

Vi hos Semicorex fremstiller og leverer iGaNEpi-wafers og andre typer wafersanvendt i halvlederfremstilling, hvis du har spørgsmål eller har brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com