نقص مهلک GaN

در حالی که جهان به دنبال فرصت های جدید در زمینه نیمه هادی است،نیترید گالیم (GaN)همچنان به عنوان یک نامزد بالقوه برای کاربردهای برق و RF در آینده برجسته است. با این حال، علیرغم مزایای متعدد، GaN با یک چالش مهم روبرو است: عدم وجود محصولات نوع P. چرا هستGaNچرا فقدان دستگاه‌های GaN نوع P که به عنوان ماده نیمه‌رسانای اصلی بعدی مورد استقبال قرار می‌گیرد، یک اشکال اساسی است، و این برای طراحی‌های آینده چه معنایی دارد؟

چرا هستGaNبه عنوان ماده نیمه هادی اصلی بعدی مورد استقبال قرار گرفتید؟

در قلمرو الکترونیک، از زمانی که اولین دستگاه های الکترونیکی وارد بازار شدند، چهار واقعیت وجود داشته است: آنها باید تا حد امکان کوچک ساخته شوند، تا حد امکان ارزان شوند، حداکثر توان ممکن را ارائه دهند و تا حد امکان کمترین توان را مصرف کنند. با توجه به اینکه این الزامات اغلب با یکدیگر در تضاد هستند، تلاش برای ایجاد دستگاه الکترونیکی کاملی که هر چهار الزام را برآورده کند، یک رویا به نظر می رسد. با این حال، این مانع از تلاش مهندسان برای دستیابی به آن نشده است.

با استفاده از این چهار اصل راهنما، مهندسان موفق به انجام انواع مختلفی از وظایف به ظاهر غیرممکن شده اند. رایانه‌ها از ماشین‌هایی با اندازه اتاق به چیپس‌هایی کوچک‌تر از یک دانه برنج تبدیل شده‌اند، تلفن‌های هوشمند اکنون ارتباط بی‌سیم و دسترسی به اینترنت را امکان‌پذیر می‌کنند و سیستم‌های واقعیت مجازی اکنون می‌توانند مستقل از میزبان استفاده و استفاده شوند. با این حال، با نزدیک شدن مهندسان به محدودیت‌های فیزیکی مواد معمولی مانند سیلیکون، کوچک‌تر کردن دستگاه‌ها و مصرف انرژی کمتر به طور فزاینده‌ای چالش برانگیز شده است.

در نتیجه، محققان به طور مستمر به دنبال مواد جدیدی هستند که به طور بالقوه می توانند جایگزین چنین مواد رایجی شوند و همچنان به ارائه دستگاه های کوچکتر و کارآمدتر ادامه دهند.نیترید گالیم (GaN)یکی از این مواد است که توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است و دلایل آن در مقایسه با سیلیکون آشکار است.

چه چیزی را می سازدنیترید گالیومفوق العاده کارآمد؟

اولاً، رسانایی الکتریکی GaN 1000 برابر بیشتر از سیلیکون است و آن را قادر می سازد در جریان های بالاتر کار کند. این یعنیGaNدستگاه ها می توانند در سطوح توان بسیار بالاتری بدون تولید گرمای بیش از حد کار کنند، که به آنها اجازه می دهد برای یک توان خروجی معین کوچکتر شوند.

علیرغم رسانایی حرارتی کمی کمتر GaN در مقایسه با سیلیکون، مزایای مدیریت حرارت آن راه را برای راه‌های جدیدی در الکترونیک پرقدرت هموار می‌کند. این امر به ویژه برای برنامه‌هایی که در آن فضا در سطح بالایی قرار دارد و راه‌حل‌های خنک‌کننده باید به حداقل برسد، مانند صنایع هوافضا و الکترونیک خودرو بسیار مهم است.GaNتوانایی دستگاه ها برای حفظ عملکرد در دماهای بالا، پتانسیل آنها را در کاربردهای محیطی خشن بیشتر برجسته می کند.

ثانیاً، شکاف باند بزرگتر GaN (3.4eV در مقایسه با 1.1eV) به آن اجازه می دهد تا در ولتاژهای بالاتر قبل از شکست دی الکتریک استفاده شود. در نتیجه،GaNنه تنها توان بیشتری را ارائه می دهد، بلکه می تواند در ولتاژهای بالاتر و در عین حال راندمان بالاتر عمل کند.

تحرک الکترون بالا نیز اجازه می دهدGaNبرای استفاده در فرکانس های بالاتر این عامل باعث می‌شود GaN برای برنامه‌های قدرت RF که بسیار بالاتر از محدوده گیگاهرتز عمل می‌کنند، ضروری است، که سیلیکون برای مدیریت آن مشکل دارد. با این حال، از نظر هدایت حرارتی، سیلیکون کمی بهتر استGaN، به این معنی که دستگاه های GaN در مقایسه با دستگاه های سیلیکونی نیازهای حرارتی بیشتری دارند. در نتیجه فقدان هدایت حرارتی توانایی کوچک سازی را محدود می کندGaNدستگاه هایی برای عملیات پرقدرت، زیرا حجم مواد بیشتری برای اتلاف گرما مورد نیاز است.

عیب مهلک چیستGaN-عدم نوع P؟

داشتن یک نیمه هادی که قادر به کار در توان بالا و فرکانس های بالا باشد بسیار عالی است. با این حال، علیرغم تمام مزایای آن، GaN یک نقص عمده دارد که به طور جدی مانع از توانایی آن در جایگزینی سیلیکون در بسیاری از کاربردها می شود: فقدان دستگاه های GaN نوع P.

یکی از اهداف اصلی این مواد جدید کشف شده بهبود قابل توجه راندمان و پشتیبانی از توان و ولتاژ بالاتر است و شکی نیست که جریانGaNترانزیستورها می توانند به این هدف برسند. با این حال، اگرچه ترانزیستورهای GaN منفرد در واقع می توانند برخی از ویژگی های چشمگیر را ارائه دهند، اما این واقعیت که همه تجاری فعلی هستندGaNدستگاه ها از نوع N هستند بر قابلیت های کارایی آنها تأثیر می گذارد.

برای درک اینکه چرا چنین است، باید به نحوه عملکرد منطق NMOS و CMOS نگاه کنیم. منطق NMOS به دلیل فرآیند ساخت و طراحی ساده، یک فناوری بسیار محبوب در دهه‌های 1970 و 1980 بود. با استفاده از یک مقاومت متصل بین منبع تغذیه و تخلیه یک ترانزیستور MOS نوع N، گیت این ترانزیستور می تواند ولتاژ تخلیه ترانزیستور MOS را کنترل کند و به طور موثر یک گیت NOT را پیاده سازی کند. هنگامی که با سایر ترانزیستورهای NMOS ترکیب می شود، همه عناصر منطقی، از جمله AND، OR، XOR، و لچ ها می توانند ایجاد شوند.

با این حال، در حالی که این فناوری ساده است، از مقاومت ها برای تامین برق استفاده می کند. این بدان معنی است که وقتی ترانزیستورهای NMOS هدایت می شوند، مقدار قابل توجهی از توان روی مقاومت ها تلف می شود. برای یک گیت مجزا، این تلفات برق حداقل است، اما وقتی تا یک CPU کوچک 8 بیتی مقیاس شود، این تلفات برق می تواند جمع شود، دستگاه را گرم کرده و تعداد اجزای فعال را در یک تراشه محدود می کند.

چگونه فناوری NMOS به CMOS تبدیل شد؟

از سوی دیگر، CMOS از ترانزیستورهای نوع P و نوع N استفاده می کند که به صورت هم افزایی به روش های متضاد کار می کنند. صرف نظر از وضعیت ورودی گیت منطقی CMOS، خروجی گیت اجازه اتصال از برق به زمین را نمی دهد و به طور قابل توجهی تلفات برق را کاهش می دهد (درست مانند زمانی که نوع N هدایت می شود، نوع P عایق می شود و بالعکس). در واقع، تنها تلفات توان واقعی در مدارهای CMOS در طول انتقال حالت رخ می دهد، جایی که یک اتصال گذرا بین برق و زمین از طریق جفت های مکمل تشکیل می شود.

بازگشت بهGaNاز آنجایی که در حال حاضر فقط دستگاه‌های نوع N وجود دارند، تنها فناوری موجود برایGaNNMOS است که ذاتاً تشنه قدرت است. این مشکلی برای تقویت کننده های RF نیست، اما یک اشکال بزرگ برای مدارهای منطقی است.

از آنجایی که مصرف جهانی انرژی همچنان در حال افزایش است و تأثیرات زیست محیطی فناوری به دقت مورد بررسی قرار می گیرد، پیگیری بهره وری انرژی در الکترونیک بیش از هر زمان دیگری حیاتی شده است. محدودیت‌های مصرف انرژی فناوری NMOS بر نیاز فوری به پیشرفت‌هایی در مواد نیمه‌رسانا برای ارائه عملکرد بالا و بازده انرژی بالا تأکید می‌کند. توسعه نوع PGaNیا فن‌آوری‌های مکمل جایگزین می‌توانند نقطه عطف مهمی را در این جستجو رقم بزنند و به طور بالقوه انقلابی در طراحی دستگاه‌های الکترونیکی کارآمد ایجاد کنند.

جالب اینجاست که ساخت نوع P کاملا امکان پذیر استGaNدستگاه‌ها، و اینها در منابع نور LED آبی، از جمله Blu-ray استفاده شده‌اند. با این حال، در حالی که این دستگاه ها برای نیازهای الکترونیک نوری کافی هستند، اما برای کاربردهای منطق دیجیتال و قدرت ایده آل نیستند. به عنوان مثال، تنها ناخالص عملی برای ساخت نوع PGaNدستگاه‌ها منیزیم هستند، اما به دلیل غلظت بالای مورد نیاز، هیدروژن می‌تواند به راحتی در حین بازپخت وارد ساختار شود و بر عملکرد ماده تأثیر بگذارد.

بنابراین، عدم وجود نوع PGaNدستگاه ها مانع از بهره برداری کامل مهندسان از پتانسیل GaN به عنوان یک نیمه هادی می شود.

این برای مهندسان آینده چه معنایی دارد؟

در حال حاضر، مواد زیادی در حال مطالعه هستند و یکی دیگر از نامزدهای اصلی کاربید سیلیکون (SiC) است. مانندGaNدر مقایسه با سیلیکون، ولتاژ عملیاتی بالاتر، ولتاژ شکست بیشتر و رسانایی بهتر را ارائه می دهد. علاوه بر این، رسانایی حرارتی بالای آن به آن اجازه می دهد تا در دماهای شدید و اندازه های بسیار کوچکتر در حالی که توان بیشتر را کنترل می کند، استفاده شود.

با این حال، بر خلافGaNSiC برای فرکانس های بالا مناسب نیست، به این معنی که بعید است برای کاربردهای RF استفاده شود. بنابراین،GaNهمچنان انتخاب ارجح برای مهندسانی است که به دنبال ایجاد تقویت کننده های قدرت کوچک هستند. یک راه حل برای مسئله نوع P ترکیب کردن استGaNبا ترانزیستورهای سیلیکونی MOS نوع P. در حالی که این قابلیت‌های مکمل را فراهم می‌کند، ذاتاً فرکانس و کارایی GaN را محدود می‌کند.

با پیشرفت تکنولوژی، محققان ممکن است در نهایت نوع P را پیدا کنندGaNدستگاه ها یا دستگاه های مکمل با استفاده از فناوری های مختلف که می توانند با GaN ترکیب شوند. با این حال، تا آن روز فرا رسد،GaNمحدودیت های تکنولوژیکی زمان ما همچنان محدود خواهد بود.

ماهیت میان رشته ای تحقیقات نیمه هادی، شامل علم مواد، مهندسی برق و فیزیک، بر تلاش های مشترک مورد نیاز برای غلبه بر محدودیت های فعلی تاکید می کند.GaNتکنولوژی پیشرفت های بالقوه در توسعه نوع PGaNیا یافتن مواد مکمل مناسب نه تنها می‌تواند عملکرد دستگاه‌های مبتنی بر GaN را افزایش دهد، بلکه به چشم‌انداز وسیع‌تر فناوری نیمه‌رسانا کمک می‌کند و راه را برای سیستم‌های الکترونیکی کارآمدتر، فشرده‌تر و قابل اعتمادتر در آینده هموار می‌کند.**

ما در Semicorex تولید و عرضه می کنیمویفر GaN Epi و انواع دیگر ویفردر تولید نیمه هادی استفاده می شود، اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری نیاز دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس: +86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com