Преимущества и недостатки применения нитрида галлия (GaN)

Пока мир ищет новые возможности в области полупроводников,нитрид галлияпродолжает выделяться как потенциальный кандидат для будущих энергетических и радиочастотных приложений. Однако, несмотря на все преимущества, которые он предлагает, он по-прежнему сталкивается с серьезной проблемой; изделий П-типа (P-type) нет. Почему GaN рекламируется как следующий основной полупроводниковый материал, почему отсутствие GaN-устройств P-типа является основным недостатком и что это означает для будущих разработок?

В электронике с тех пор, как на рынке появились первые электронные устройства, сохранились четыре факта: они должны быть как можно меньше, как можно дешевле, обеспечивать как можно больше энергии и потреблять как можно меньше энергии. Учитывая, что эти требования часто противоречат друг другу, попытка создать идеальное электронное устройство, которое могло бы удовлетворить этим четырем требованиям, является своего рода несбыточной мечтой, но это не помешало инженерам сделать все возможное, чтобы это произошло.

Используя эти четыре руководящих принципа, инженеры преуспели в выполнении множества, казалось бы, невыполнимых задач: компьютеры превратились из устройств размером с комнату в чипы размером меньше рисового зернышка, смартфоны, обеспечивающие беспроводную связь и доступ к Интернету, и системы виртуальной реальности. его теперь можно носить и использовать независимо от главного компьютера. Однако по мере того, как инженеры приближаются к физическим пределам широко используемых материалов, таких как кремний, уменьшение размеров устройств и использование меньшего количества энергии становится невозможным.

В результате исследователи постоянно ищут новые материалы, которые смогут заменить такие распространенные материалы и продолжать создавать устройства меньшего размера, которые работают более эффективно. Нитрид галлия (GaN) — это материал, который по понятным причинам привлек много внимания по сравнению с кремнием.

ГаНпревосходная эффективность

Во-первых, GaN проводит электричество в 1000 раз эффективнее кремния, что позволяет ему работать при более высоких токах. Это означает, что устройства на основе GaN могут работать на значительно более высокой мощности, не выделяя при этом большого количества тепла, и, следовательно, их можно уменьшить при той же заданной мощности.

Хотя теплопроводность GaN немного ниже, чем у кремния, его преимущества терморегулирования открывают новые возможности для мощной электроники. Это особенно важно для приложений, где пространство ограничено и необходимо свести к минимуму решения по охлаждению, например, в аэрокосмической и автомобильной электронике, а способность GaN-устройств сохранять производительность при высоких температурах еще больше подчеркивает их потенциал для применения в суровых условиях окружающей среды.

Во-вторых, большая запрещенная зона GaN (3,4 эВ против 1,1 эВ) позволяет использовать его при более высоких напряжениях до пробоя диэлектрика. В результате GaN не только способен обеспечивать большую мощность, но и делать это при более высоких напряжениях, сохраняя при этом более высокий КПД.

Высокая подвижность электронов также позволяет использовать GaN на более высоких частотах. Этот фактор делает GaN критически важным для приложений ВЧ-мощности, которые работают значительно выше диапазона ГГц (с чем кремний борется).

Однако кремний немного лучше, чем GaN, с точки зрения теплопроводности, а это означает, что устройства GaN имеют более высокие тепловые требования, чем кремниевые устройства. В результате отсутствие теплопроводности ограничивает возможность сжатия GaN-устройств при работе на высокой мощности (поскольку для рассеивания тепла необходимы большие куски материала).

ГаНАхиллесова пята - нет P-Type

Хорошо иметь полупроводники, которые могут работать с высокой мощностью и на высоких частотах, но, несмотря на все преимущества GaN, есть один существенный недостаток, который серьезно ограничивает его способность заменить кремний во многих приложениях: отсутствие P-типа.

Можно утверждать, что одной из основных целей этих недавно открытых материалов является резкое повышение эффективности и поддержка более высоких мощностей и напряжений, и нет никаких сомнений в том, что современные GaN-транзисторы могут достичь этого. Однако, хотя отдельные GaN-транзисторы действительно обладают некоторыми впечатляющими свойствами, тот факт, что все современные коммерческие GaN-устройства относятся к N-типу, ставит под угрозу их способность быть чрезвычайно эффективными.

Чтобы понять, почему это так, нам нужно посмотреть, как работает логика NMOS и CMOS. Логика NMOS была очень популярной технологией в 1970-х и 1980-х годах из-за простоты производственного процесса и конструкции. Используя один резистор, включенный между источником питания и стоком МОП-транзистора N-типа, затвор этого транзистора может управлять напряжением на стоке МОП-транзистора, эффективно реализуя работу без затвора. В сочетании с другими NMOS-транзисторами можно создавать все логические компоненты, включая AND, OR, XOR и защелки.

Однако, хотя этот метод прост, для обеспечения питания в нем используются резисторы, а это означает, что при включении NMOS-транзисторов на резисторах тратится много энергии. Для одного вентиля эти потери мощности минимальны, но могут увеличиться при масштабировании до небольших 8-битных процессоров, что может привести к нагреву устройства и ограничению количества активных устройств на одном кристалле.