Lỗ hổng nghiêm trọng của GaN

Khi thế giới tìm kiếm những cơ hội mới trong lĩnh vực bán dẫn,Galli Nitrat (GaN)tiếp tục nổi bật như một ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng năng lượng và RF trong tương lai. Tuy nhiên, bất chấp rất nhiều lợi ích, GaN phải đối mặt với một thách thức đáng kể: sự vắng mặt của các sản phẩm loại P. Tại sao làGaNđược ca ngợi là vật liệu bán dẫn chính tiếp theo, tại sao việc thiếu các thiết bị GaN loại P lại là một nhược điểm nghiêm trọng và điều này có ý nghĩa gì đối với các thiết kế trong tương lai?

Tại sao làGaNĐược ca ngợi là Vật liệu bán dẫn chính tiếp theo?

Trong lĩnh vực điện tử, bốn sự thật vẫn tồn tại kể từ khi các thiết bị điện tử đầu tiên xuất hiện trên thị trường: chúng cần được sản xuất càng nhỏ càng tốt, càng rẻ càng tốt, cung cấp càng nhiều năng lượng càng tốt và tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt. Do những yêu cầu này thường mâu thuẫn với nhau nên việc cố gắng tạo ra một thiết bị điện tử hoàn hảo đáp ứng cả bốn yêu cầu có vẻ như là một giấc mơ. Tuy nhiên, điều này không ngăn cản được các kỹ sư phấn đấu để đạt được nó.

Bằng cách sử dụng bốn nguyên tắc hướng dẫn này, các kỹ sư đã cố gắng hoàn thành nhiều nhiệm vụ tưởng chừng như không thể. Máy tính đã thu nhỏ từ những cỗ máy có kích thước bằng căn phòng thành những con chip nhỏ hơn hạt gạo, điện thoại thông minh giờ đây cho phép liên lạc không dây và truy cập Internet, còn hệ thống thực tế ảo giờ đây có thể được đeo và sử dụng độc lập với máy chủ. Tuy nhiên, khi các kỹ sư đạt đến giới hạn vật lý của các vật liệu thường được sử dụng như silicon, việc chế tạo các thiết bị nhỏ hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn ngày càng trở nên khó khăn.

Do đó, các nhà nghiên cứu liên tục tìm kiếm những vật liệu mới có khả năng thay thế những vật liệu phổ biến đó và tiếp tục cung cấp các thiết bị nhỏ hơn, hiệu quả hơn.Galli Nitrat (GaN)là một trong những vật liệu đã thu hút được sự chú ý đáng kể và lý do rất rõ ràng khi so sánh với silicon.

Điều gì tạo nênGallium NitratĐặc biệt hiệu quả?

Thứ nhất, độ dẫn điện của GaN cao hơn 1000 lần so với silicon, cho phép nó hoạt động ở dòng điện cao hơn. Điều này có nghĩaGaNcác thiết bị có thể chạy ở mức năng lượng cao hơn đáng kể mà không tạo ra nhiệt quá mức, cho phép chúng được chế tạo nhỏ hơn ở mức công suất nhất định.

Mặc dù độ dẫn nhiệt của GaN thấp hơn một chút so với silicon nhưng ưu điểm quản lý nhiệt của nó mở đường cho những con đường mới trong lĩnh vực điện tử công suất cao. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi không gian cao và các giải pháp làm mát cần được giảm thiểu, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ và điện tử ô tô.GaNKhả năng duy trì hiệu suất ở nhiệt độ cao của thiết bị càng làm nổi bật tiềm năng của chúng trong các ứng dụng môi trường khắc nghiệt.

Thứ hai, khoảng cách dải tần lớn hơn của GaN (3,4eV so với 1,1eV) cho phép nó được sử dụng ở điện áp cao hơn trước khi đánh thủng điện môi. Do đó,GaNkhông chỉ cung cấp năng lượng lớn hơn mà còn có thể hoạt động ở điện áp cao hơn trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao hơn.

Độ linh động điện tử cao cũng cho phépGaNđược sử dụng ở tần số cao hơn. Yếu tố này khiến GaN trở nên cần thiết cho các ứng dụng nguồn RF hoạt động tốt trên phạm vi GHz, điều mà silicon khó có thể xử lý được. Tuy nhiên, về độ dẫn nhiệt, silicon nhỉnh hơn một chútGaN, nghĩa là thiết bị GaN có yêu cầu về nhiệt lớn hơn so với thiết bị silicon. Kết quả là, việc thiếu tính dẫn nhiệt sẽ hạn chế khả năng thu nhỏGaNcác thiết bị hoạt động ở công suất cao, vì cần khối lượng vật liệu lớn hơn để tản nhiệt.

Sai lầm chết người củaGaN—Thiếu loại P?

Có một chất bán dẫn có khả năng hoạt động ở công suất cao và tần số cao là điều tuyệt vời. Tuy nhiên, bất chấp tất cả những ưu điểm của nó, GaN có một nhược điểm lớn cản trở nghiêm trọng khả năng thay thế silicon của nó trong nhiều ứng dụng: thiếu các thiết bị GaN loại P.

Một trong những mục đích chính của những vật liệu mới được phát hiện này là cải thiện đáng kể hiệu suất và hỗ trợ công suất và điện áp cao hơn, và không còn nghi ngờ gì nữa rằng dòng điện sẽGaNbóng bán dẫn có thể đạt được điều này. Tuy nhiên, mặc dù các bóng bán dẫn GaN riêng lẻ thực sự có thể cung cấp một số đặc tính ấn tượng, nhưng thực tế là tất cả các bóng bán dẫn thương mại hiện nay đềuGaNcác thiết bị loại N ảnh hưởng đến khả năng hiệu quả của chúng.

Để hiểu lý do tại sao lại như vậy, chúng ta cần xem xét cách hoạt động của logic NMOS và CMOS. Do quy trình và thiết kế sản xuất đơn giản, logic NMOS là một công nghệ rất phổ biến trong những năm 1970 và 1980. Bằng cách sử dụng một điện trở duy nhất được kết nối giữa nguồn điện và cực tiêu của bóng bán dẫn MOS loại N, cổng của bóng bán dẫn này có thể điều khiển điện áp tiêu hao của bóng bán dẫn MOS, thực hiện hiệu quả cổng NOT. Khi kết hợp với các bóng bán dẫn NMOS khác, tất cả các phần tử logic, bao gồm AND, OR, XOR và chốt, đều có thể được tạo ra.

Tuy nhiên, tuy công nghệ này đơn giản nhưng nó sử dụng điện trở để cung cấp điện. Điều này có nghĩa là khi các bóng bán dẫn NMOS dẫn điện, một lượng điện năng đáng kể sẽ bị lãng phí trên các điện trở. Đối với một cổng riêng lẻ, tổn thất điện năng này là tối thiểu, nhưng khi mở rộng lên CPU 8 bit nhỏ, tổn thất điện năng này có thể tích tụ, làm nóng thiết bị và hạn chế số lượng thành phần hoạt động trên một chip.

Công nghệ NMOS đã phát triển thành CMOS như thế nào?

Mặt khác, CMOS sử dụng các bóng bán dẫn loại P và loại N hoạt động phối hợp theo những cách ngược lại. Bất kể trạng thái đầu vào của cổng logic CMOS là gì, đầu ra của cổng không cho phép kết nối từ nguồn xuống đất, giúp giảm đáng kể tổn thất điện năng (giống như khi dẫn loại N, loại P cách điện và ngược lại). Trên thực tế, sự mất điện thực tế duy nhất trong mạch CMOS xảy ra trong quá trình chuyển đổi trạng thái, trong đó kết nối nhất thời giữa nguồn và mặt đất được hình thành thông qua các cặp bổ sung.

Trở lạiGaNthiết bị, vì hiện tại chỉ có thiết bị loại N tồn tại nên công nghệ duy nhất có sẵn choGaNlà NMOS, vốn rất ngốn điện. Đây không phải là vấn đề đối với bộ khuếch đại RF nhưng lại là nhược điểm lớn đối với các mạch logic.

Khi mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu tiếp tục tăng và tác động môi trường của công nghệ được xem xét kỹ lưỡng, việc theo đuổi hiệu quả năng lượng trong thiết bị điện tử trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Những hạn chế về mức tiêu thụ điện năng của công nghệ NMOS nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết về những đột phá trong vật liệu bán dẫn nhằm mang lại hiệu suất cao và hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Sự phát triển của loại PGaNhoặc các công nghệ bổ sung thay thế có thể đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nhiệm vụ này, có khả năng cách mạng hóa việc thiết kế các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng.

Điều thú vị là hoàn toàn có thể sản xuất loại PGaNcác thiết bị này và chúng đã được sử dụng trong các nguồn ánh sáng LED màu xanh lam, bao gồm cả Blu-ray. Tuy nhiên, mặc dù các thiết bị này đủ đáp ứng các yêu cầu quang điện tử nhưng chúng vẫn chưa lý tưởng cho các ứng dụng năng lượng và logic kỹ thuật số. Ví dụ, chất khử tạp thực tế duy nhất để sản xuất loại PGaNthiết bị là magie, nhưng do yêu cầu nồng độ cao nên hydro có thể dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc trong quá trình ủ, ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu.

Do đó, sự vắng mặt của loại PGaNcác thiết bị ngăn cản các kỹ sư khai thác tối đa tiềm năng của GaN như một chất bán dẫn.

Điều này có ý nghĩa gì đối với các kỹ sư tương lai?

Hiện nay, nhiều vật liệu đang được nghiên cứu, trong đó một ứng cử viên chính khác là cacbua silic (SiC). GiốngGaN, so với silicon, nó cung cấp điện áp hoạt động cao hơn, điện áp đánh thủng lớn hơn và độ dẫn điện tốt hơn. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt cao của nó cho phép nó được sử dụng ở nhiệt độ khắc nghiệt và kích thước nhỏ hơn đáng kể trong khi vẫn kiểm soát được công suất lớn hơn.

Tuy nhiên, không giống nhưGaN, SiC không phù hợp với tần số cao, nghĩa là nó khó có thể được sử dụng cho các ứng dụng RF. Vì thế,GaNvẫn là lựa chọn ưu tiên cho các kỹ sư muốn tạo ra bộ khuếch đại công suất nhỏ. Một giải pháp cho vấn đề loại P là kết hợpGaNvới các bóng bán dẫn MOS silicon loại P. Mặc dù điều này cung cấp các khả năng bổ sung nhưng nó vốn đã hạn chế tần suất và hiệu quả của GaN.

Khi công nghệ tiến bộ, các nhà nghiên cứu cuối cùng có thể tìm thấy loại PGaNcác thiết bị hoặc thiết bị bổ sung sử dụng các công nghệ khác nhau có thể kết hợp với GaN. Tuy nhiên, cho đến khi ngày đó đến,GaNsẽ tiếp tục bị hạn chế bởi những hạn chế về công nghệ của thời đại chúng ta.

Bản chất liên ngành của nghiên cứu chất bán dẫn, liên quan đến khoa học vật liệu, kỹ thuật điện và vật lý, nhấn mạnh những nỗ lực hợp tác cần thiết để khắc phục những hạn chế hiện tại củaGaNcông nghệ. Tiềm năng đột phá trong phát triển loại PGaNhoặc việc tìm kiếm các vật liệu bổ sung phù hợp không chỉ có thể nâng cao hiệu suất của các thiết bị dựa trên GaN mà còn đóng góp vào bối cảnh công nghệ bán dẫn rộng hơn, mở đường cho các hệ thống điện tử hiệu quả, nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn trong tương lai.**

Tại Semicorex, chúng tôi sản xuất và cung cấpGaNEpi-wafer và các loại wafer khácáp dụng trong sản xuất chất bán dẫn, nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Điện thoại liên hệ: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com