Фатальный недостаток GaN

Пока мир ищет новые возможности в области полупроводников,Нитрид галлия (GaN)продолжает выделяться как потенциальный кандидат для будущих энергетических и радиочастотных приложений. Однако, несмотря на многочисленные преимущества, GaN сталкивается с серьезной проблемой: отсутствием продуктов P-типа. ПочемуГаНпровозглашенный следующим основным полупроводниковым материалом, почему отсутствие GaN-устройств P-типа является критическим недостатком и что это означает для будущих разработок?

ПочемуГаННазван следующим основным полупроводниковым материалом?

В сфере электроники с тех пор, как на рынке появились первые электронные устройства, сохранились четыре факта: их необходимо делать как можно меньше, как можно дешевле, предлагать как можно больше энергии и потреблять как можно меньше энергии. Учитывая, что эти требования часто противоречат друг другу, попытка создать идеальное электронное устройство, отвечающее всем четырем требованиям, кажется мечтой. Однако это не помешало инженерам стремиться к этому.

Используя эти четыре руководящих принципа, инженерам удалось выполнить множество, казалось бы, невыполнимых задач. Компьютеры превратились из машин размером с комнату в микросхемы размером меньше рисового зерна, смартфоны теперь обеспечивают беспроводную связь и доступ в Интернет, а системы виртуальной реальности теперь можно носить и использовать независимо от хоста. Однако по мере того, как инженеры приближаются к физическим пределам широко используемых материалов, таких как кремний, уменьшение размеров устройств и их энергопотребление становится все более сложной задачей.

Следовательно, исследователи постоянно ищут новые материалы, которые потенциально могли бы заменить такие распространенные материалы и продолжать предлагать меньшие по размеру и более эффективные устройства.Нитрид галлия (GaN)– один из таких материалов, который привлек значительное внимание, и причины очевидны по сравнению с кремнием.

Что делаетНитрид галлияИсключительно эффективно?

Во-первых, электропроводность GaN в 1000 раз выше, чем у кремния, что позволяет ему работать при более высоких токах. Это означаетГаНустройства могут работать на значительно более высоких уровнях мощности, не выделяя чрезмерного тепла, что позволяет уменьшить их размеры при заданной выходной мощности.

Несмотря на несколько более низкую теплопроводность GaN по сравнению с кремнием, его преимущества в области управления теплом открывают путь к новым возможностям в области мощной электроники. Это особенно важно для приложений, где пространство ограничено, а решения для охлаждения необходимо свести к минимуму, например, в аэрокосмической и автомобильной электронике.ГаНСпособность устройств сохранять производительность при высоких температурах еще раз подчеркивает их потенциал в суровых условиях окружающей среды.

Во-вторых, большая запрещенная зона GaN (3,4 эВ по сравнению с 1,1 эВ) позволяет использовать его при более высоких напряжениях до пробоя диэлектрика. Следовательно,ГаНне только обеспечивает большую мощность, но также может работать при более высоких напряжениях, сохраняя при этом более высокий КПД.

Высокая подвижность электронов также позволяетГаНиспользовать на более высоких частотах. Этот фактор делает GaN незаменимым для ВЧ-приложений, работающих в диапазоне выше ГГц, с которым кремний с трудом справляется. Однако по теплопроводности кремний незначительно превосходитГаНЭто означает, что устройства GaN имеют более высокие тепловые требования по сравнению с кремниевыми устройствами. В результате отсутствие теплопроводности ограничивает возможность миниатюризации.ГаНустройства для работы с большой мощностью, так как для отвода тепла необходимы большие объемы материала.

В чем фатальный недостатокГаН— Отсутствие П-типа?

Иметь полупроводник, способный работать при высокой мощности и высоких частотах, — это превосходно. Однако, несмотря на все свои преимущества, у GaN есть один существенный недостаток, который серьезно ограничивает его способность заменить кремний во многих приложениях: отсутствие устройств GaN P-типа.

Одной из основных целей этих недавно открытых материалов является значительное повышение эффективности и поддержка более высоких мощностей и напряжений.ГаНтранзисторы могут добиться этого. Однако, хотя отдельные GaN-транзисторы действительно могут обеспечить некоторые впечатляющие характеристики, тот факт, что все современные коммерческиеГаНустройства N-типа влияют на их эффективность.

Чтобы понять, почему это так, нам нужно посмотреть, как работают логики NMOS и CMOS. Благодаря простоте производственного процесса и конструкции логика NMOS была очень популярной технологией в 1970-х и 1980-х годах. Используя один резистор, включенный между источником питания и стоком МОП-транзистора N-типа, затвор этого транзистора может управлять напряжением стока МОП-транзистора, эффективно реализуя затвор НЕ. В сочетании с другими NMOS-транзисторами могут быть созданы все логические элементы, включая AND, OR, XOR и защелки.

Однако, хотя эта технология проста, для подачи питания в ней используются резисторы. Это означает, что когда NMOS-транзисторы проводят ток, значительная часть мощности тратится на резисторы. Для отдельного вентиля эти потери мощности минимальны, но при масштабировании до небольшого 8-битного процессора эти потери мощности могут накапливаться, нагревая устройство и ограничивая количество активных компонентов на одном кристалле.

Как технология NMOS превратилась в CMOS?

С другой стороны, в КМОП используются транзисторы P-типа и N-типа, которые работают синергетически противоположными способами. Независимо от входного состояния логического элемента КМОП, выход элемента не позволяет подключать питание к земле, что значительно снижает потери мощности (точно так же, как когда N-тип проводит, P-тип изолирует и наоборот). Фактически, единственная реальная потеря мощности в схемах КМОП происходит во время переходов состояний, когда переходное соединение между питанием и землей формируется через комплементарные пары.

Возвращаясь кГаНустройств, поскольку в настоящее время существуют только устройства N-типа, единственная доступная технология дляГаНявляется NMOS, который по своей сути энергоемок. Это не проблема для ВЧ-усилителей, но является серьезным недостатком для логических схем.

Поскольку глобальное потребление энергии продолжает расти, а воздействие технологий на окружающую среду тщательно изучается, стремление к энергоэффективности в электронике становится более важным, чем когда-либо. Ограничения энергопотребления технологии NMOS подчеркивают острую необходимость прорыва в области полупроводниковых материалов, обеспечивающих высокую производительность и высокую энергоэффективность. Развитие P-типаГаНили альтернативные дополнительные технологии могут стать важной вехой в этом поиске, потенциально совершив революцию в разработке энергоэффективных электронных устройств.

Интересно, что вполне возможно изготовление Р-типа.ГаНустройства, и они использовались в синих светодиодных источниках света, включая Blu-ray. Однако, хотя этих устройств достаточно для оптоэлектронных задач, они далеки от идеала для цифровой логики и силовых приложений. Например, единственная практичная добавка для изготовления Р-типа.ГаНустройствами является магний, но из-за требуемой высокой концентрации водород может легко проникнуть в структуру во время отжига, влияя на характеристики материала.

Следовательно, отсутствие Р-типаГаНустройства не позволяют инженерам полностью использовать потенциал GaN как полупроводника.

Что это значит для будущих инженеров?

В настоящее время изучается множество материалов, и еще одним основным кандидатом является карбид кремния (SiC). НравитьсяГаНПо сравнению с кремнием он обеспечивает более высокое рабочее напряжение, большее напряжение пробоя и лучшую проводимость. Кроме того, его высокая теплопроводность позволяет использовать его при экстремальных температурах и при значительно меньших размерах, одновременно контролируя большую мощность.

Однако, в отличие отГаН, SiC не подходит для высоких частот, а это означает, что он вряд ли будет использоваться в радиочастотных приложениях. Поэтому,ГаНостается предпочтительным выбором для инженеров, стремящихся создать небольшие усилители мощности. Одним из решений проблемы P-типа является объединениеГаНс кремниевыми МОП-транзисторами P-типа. Хотя это и обеспечивает дополнительные возможности, оно по своей сути ограничивает частоту и эффективность GaN.

По мере развития технологий исследователи могут в конечном итоге обнаружитьГаНустройства или дополнительные устройства, использующие различные технологии, которые можно комбинировать с GaN. Однако, пока этот день не настал,ГаНбудут по-прежнему сдерживаться технологическими ограничениями нашего времени.

Междисциплинарный характер исследований полупроводников, включающий материаловедение, электротехнику и физику, подчеркивает необходимость совместных усилий, необходимых для преодоления текущих ограничений.ГаНтехнология. Потенциальные прорывы в разработке P-типаГаНили поиск подходящих дополнительных материалов может не только повысить производительность устройств на основе GaN, но и внести вклад в более широкий ландшафт полупроводниковых технологий, открывая путь к более эффективным, компактным и надежным электронным системам в будущем.**

Мы в Semicorex производим и поставляемГаНEpi-подложки и другие типы пластинприменяется в производстве полупроводников. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон: +86-13567891907

Электронная почта: sales@semicorex.com