Галлий-нитрид (GaN) — полупроводник с широкой запрещённой зоной, который за последние 30 лет превратился из экзотики для военных радаров в основу зарядок для смартфонов, базовых станций 5G и мощных лазеров.
Краткая история
- 1930–1950-е: нитриды III группы (GaN, AlN, InN) изучают как необычные кристаллы с высокой твёрдостью и термостойкостью, но вырастить качественный GaN почти не удаётся.
- 1970–1980-е: появляются первые светодиоды на GaN, но с низкой эффективностью из-за большого количества дефектов.
- 1990-е: прорыв в технологиях эпитаксии на сапфировых подложках и легировании. На основе GaN создают яркие синие и белые светодиоды. За эти работы в 2014 году присуждена Нобелевская премия по физике.
- 2000–2010-е: начинают активно развиваться силовые транзисторы GaN для преобразователей энергии и радиочастотные приборы для РЛС и связи.
- 2020-е: GaN становится массовым: компактные сетевые зарядки, блоки питания серверов, телеком-оборудование, зарядные станции для электромобилей.
Производство GaN
GaN не бывает «монокристаллом на болванке» вроде кремния — его выращивают, как правило, в виде тонких слоёв на подложках:
- Подложка
сапфир (дёшево, но много дефектов);
кремний (дёшево и совместимо с фабриками, но сложная технология из-за разных коэффициентов теплового расширения);
карбид кремния (SiC) — дороже, зато отличная теплопроводность и меньший уровень дефектов. - Эпитаксиальный рост
Основной метод — MOCVD (метод металлоорганической химической эпитаксии из паровой фазы).
На подложку по слоям осаждают GaN и легирующие добавки (Al, In, Mg, Si), формируя гетероструктуры: p- и n-области, квантовые ямы, каналы высокоподвижных электронов (HEMT). - Микроэлектронная обработка
фотолитография, травление, металлизация контактов;
формирование транзисторов (обычно HEMT-структуры) и светодиодных/лазерных структур;
тестирование, резка, корпусирование, иногда — интеграция с кремниевыми микросхемами управления.
Сложность — в контроле напряжений и дефектов в слое GaN: из-за «несовпадения» решёток и теплового расширения легко получить трещины или высокие токи утечки.
Почему GaN настолько важен
У GaN большая ширина запрещённой зоны (~3,4 эВ) и высокая критическая напряжённость пробоя. Это даёт сразу несколько преимуществ:
- выдерживает более высокие напряжения при меньших размерах кристалла;
- работает на более высоких частотах переключения, что уменьшает габариты катушек и конденсаторов;
- имеет меньшие потери при переключении (ниже нагрев, выше КПД);
- хорошая радиационная стойкость и устойчивость к высоким температурам.
Фактически GaN стал «следующим шагом после кремния» в силовой электронике.
Основные области применения
1. Силовая электроника и зарядные устройства
- компактные зарядные блоки для ноутбуков, смартфонов, планшетов (65–140 Вт и больше, но размера обычной «кирпичной» зарядки уже нет);
- импульсные источники питания серверов и телеком-оборудования (экономия энергии и места в стойках);
- преобразователи в системах солнечной энергетики и накопителей энергии;
- бортовые DC-DC и AC-DC преобразователи в электромобилях, зарядные станции.
Благодаря GaN можно делать БП с КПД 94–96 % и значительно снижать потери на тепло.
2. Высокочастотная и радиочастотная техника
- усилители мощности для РЛС (военные и гражданские), радиолокация ПВО и метеорология;
- передатчики базовых станций 4G/5G, особенно в диапазонах выше 3–4 ГГц;
- спутниковая связь, радиолинии точка-точка, микроволновые передатчики.
GaN-транзисторы (HEMT) выдерживают высокие мощности на СВЧ-частотах, где кремниевые приборы уже «сдаются».
3. Оптоэлектроника
- синие, фиолетовые и УФ-светодиоды (основа белых светодиодов с люминофором);
- лазерные диоды для Blu-ray, проекторов, лазерных сканеров;
- УФ-светодиоды и лазеры для стерилизации, медицинских и аналитических устройств.
Именно GaN-светодиоды сделали возможными компактные и яркие световые источники, заменившие лампы накаливания и люминесцентные.
4. Спецприменения
- электроника для работы при высоких температурах и радиации (авиация, космос, атомная отрасль);
- перспективная силовая электроника для авиационных и морских электродвигателей;
- экспериментальные квантовые и сенсорные устройства на нитридных гетероструктурах.
Ограничения и вызовы
- Цена подложек (особенно SiC) остаётся заметной;
- производство требует сложных MOCVD-установок и очень точного контроля процессов;
- пока сложнее интегрировать GaN-силовые устройства и «умную» управляющую логику на одном кристалле, как это делают с кремнием (решается через гибридные модули и co-packaging).
Тем не менее рынок GaN-приборов растёт двузначными темпами — прежде всего за счёт зарядок, телеком-оборудования и серверной инфраструктуры.