Что такое GaN-on-Silicon: Понимание технологии нитрида галлия
Нитрид галлия (GaN) является очень твердым, механически стабильным бинарным полупроводником с прямой запрещенной зоной III/V. Благодаря более высокой прочности на пробой, более высокой скорости переключения, более высокой теплопроводности и меньшему сопротивлению включению силовые устройства на основе GaN значительно превосходят устройства на основе кремния. Кристаллы нитрида галлия можно выращивать на различных подложках, включая сапфир, карбид кремния (SiC) и кремний (Si). Выращивая слой GaN epi поверх кремния, можно использовать существующую инфраструктуру производства кремния, устраняя необходимость в дорогостоящих специализированных производственных площадках и используя легкодоступные кремниевые пластины большого диаметра по низкой цене.
GaN используется в производстве полупроводниковых силовых устройств, а также радиочастотных компонентов и светоизлучающих диодов (LED). GaN продемонстрировал способность быть технологией замещения кремниевых полупроводников в преобразователях мощности, радиочастотных и аналоговых приложениях.
Что такое нитрид галлия (GaN) HEMT?
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) - это транзисторы, использующие двумерный электронный газ (2DEG), который создается соединением между двумя материалами с различными запрещенными зонами. HEMT на основе нитрида галлия (GaN) отличаются более высокой скоростью переключения, более высокой теплопроводностью и более низким сопротивлением включению, чем аналогичные решения на основе кремния. Эти особенности позволяют использовать GaN-транзисторы и интегральные схемы в схемах для повышения эффективности, уменьшения размеров и удешевления широкого спектра систем преобразования энергии.
С самого начала эры электроники, более ста лет назад, инженеры-конструкторы по энергетике искали идеальный выключатель, который быстро и эффективно преобразовал бы необработанную электрическую энергию в управляемый, полезный поток электронов. Сначала появились вакуумные трубки, но неэффективность, о чем свидетельствует выделяемое ими тепло, а также их большие размеры и высокая стоимость создали ограничения для их конечного использования. Затем, в конце 50-х годов, транзистор получил широкое распространение; благодаря своим небольшим размерам и более высокой эффективности он оказался “святым Граалем” и быстро вытеснил трубки, одновременно создав огромные новые рынки, недоступные для технологии вакуумных ламп.
Кремниевые транзисторы и век электроники
Кремний быстро стал предпочтительным материалом для полупроводниковых транзисторов не только из-за его принципиально превосходных электрических свойств, но и потому, что его производство было намного дешевле, чем вакуумную лампу. Стремительный взлет кремниевых транзисторов, а затем и интегральных схем продолжался на протяжении 1970-х и 1980-х годов. “Закон Мура”, который требовал удвоения производительности транзистора при снижении стоимости примерно каждые 18 месяцев, привел к синхронному появлению новых продуктов с более высокой производительностью и более низкой стоимостью, к удовольствию потребителя. А что касается преобразования энергии, то именно силовой МОП-транзистор на основе кремния стал основой этого роста.
Как и в случае с вакуумной лампой, силовые МОП-транзисторы на основе кремния достигли конца пути, обеспечивая более высокую производительность при постоянно снижающейся стоимости. К счастью, поиски идеального переключателя, обладающего бесконечно высокой скоростью переключения, отсутствием электрического сопротивления и более низкой стоимостью, не замедлились, и появились новые базовые материалы, на основе которых можно создавать высокопроизводительные транзисторы преобразования мощности и интегральные схемы.
Технология нитрида галлия: Революция в полупроводниках
Нитрид галлия является ведущим кандидатом для вывода электронных характеристик на новый уровень и возобновления положительного действия Закона Мура. Способность GaN проводить электроны более чем в 1000 раз эффективнее, чем кремний, при этом его производство обходится дешевле, чем кремний, в настоящее время хорошо зарекомендовала себя. У кремния закончился газ, и появляется новый, более производительный полупроводниковый материал – GaN находится на подъеме.
К счастью, стоимость производства устройства GaN по своей сути ниже, чем стоимость производства устройства MOSFET, поскольку устройства GaN производятся с использованием стандартных процедур производства кремния на тех же заводах, которые в настоящее время производят традиционные кремниевые полупроводники, и получаемые устройства намного меньше при тех же функциональных характеристиках. Поскольку отдельные устройства намного меньше кремниевых, на одной пластине может быть произведено гораздо больше полупроводников из нитрида галлия, что приводит к тому, что производство GaN-устройств всегда обходится дешевле, чем их кремниевых аналогов. По мере совершенствования технологии производства нитрида галлия разрыв в затратах становится еще больше.
Как работает нитрид галлия?
Нитрид галлия (GaN) изменил правила игры в мире полупроводников, особенно для высокоэффективных силовых транзисторов и интегральных схем. Но как функционирует эта технология на основе нитрида галлия?
Создание 2DEG: Путем выращивания тонкого слоя нитрида алюминия-галлия (AlGaN) поверх кристалла GaN на границе раздела создается напряжение, которое индуцирует компенсирующий двумерный электронный газ (2DEG). Этот 2DEG используется для эффективного проведения электронов, когда к нему прикладывается электрическое поле.
Эффективная проводимость: Этот 2DEG обладает высокой проводимостью, отчасти благодаря удержанию электронов в очень маленькой области на границе раздела. Это ограничение увеличивает подвижность электронов примерно с 1000 см2/В·с в ненапряженном GaN до 1500-2000 см2/В·с в области 2DEG.
Превосходная производительность: Высокая проводимость нитрида галлия позволяет создавать транзисторы и интегральные схемы, которые отличаются более высокой прочностью на пробой, более высокой скоростью переключения, более высокой теплопроводностью и более низким сопротивлением включению, чем аналогичные кремниевые решения.