ข้อบกพร่องร้ายแรงของ GaN

ในขณะที่โลกค้นหาโอกาสใหม่ๆ ในด้านเซมิคอนดักเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)ยังคงโดดเด่นในฐานะผู้สมัครที่มีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้พลังงานและ RF ในอนาคต อย่างไรก็ตาม แม้จะมีประโยชน์มากมาย GaN ก็เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ นั่นคือ การไม่มีผลิตภัณฑ์ประเภท P ทำไมถึงเป็นกานได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่อันดับถัดไป เหตุใดการไม่มีอุปกรณ์ GaN ชนิด P จึงเป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ และสิ่งนี้มีความหมายต่อการออกแบบในอนาคตอย่างไร

ทำไมถึงเป็นกานได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ถัดไปหรือไม่?

ในขอบเขตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีข้อเท็จจริงสี่ประการที่ยังคงมีอยู่นับตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวแรกออกสู่ตลาด: อุปกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องทำให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ราคาถูกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้พลังงานมากที่สุด และใช้พลังงานน้อยที่สุด เนื่องจากข้อกำหนดเหล่านี้มักจะขัดแย้งกัน การพยายามสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แบบที่ตรงตามข้อกำหนดทั้งสี่จึงดูเหมือนเป็นฝันกลางวัน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้หยุดวิศวกรจากความมุ่งมั่นที่จะบรรลุเป้าหมายดังกล่าว

ด้วยการใช้หลักการชี้นำทั้งสี่นี้ วิศวกรจึงสามารถจัดการงานต่างๆ ที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ให้สำเร็จได้สำเร็จ คอมพิวเตอร์ได้หดตัวจากเครื่องจักรขนาดห้องไปสู่ชิปที่มีขนาดเล็กกว่าเมล็ดข้าว สมาร์ทโฟนสามารถเปิดใช้งานการสื่อสารไร้สายและอินเทอร์เน็ตได้ และระบบความเป็นจริงเสมือนสามารถสวมใส่และใช้งานได้โดยอิสระจากโฮสต์ อย่างไรก็ตาม ในขณะที่วิศวกรเข้าใกล้ขีดจำกัดทางกายภาพของวัสดุที่ใช้กันทั่วไป เช่น ซิลิคอน การทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและใช้พลังงานน้อยลง กลายเป็นเรื่องท้าทายมากขึ้น

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงมองหาวัสดุใหม่ๆ ที่อาจทดแทนวัสดุทั่วไปดังกล่าวอย่างต่อเนื่อง และยังคงนำเสนออุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นต่อไปแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)เป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก และมีเหตุผลที่ชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน

สิ่งที่ทำให้แกลเลียมไนไตรด์มีประสิทธิภาพล้ำเลิศ?

ประการแรก ค่าการนำไฟฟ้าของ GaN สูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าของซิลิคอนถึง 1,000 เท่า ทำให้สามารถทำงานที่กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ นี่หมายความว่ากานอุปกรณ์สามารถทำงานได้ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดโดยไม่สร้างความร้อนมากเกินไป ทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงตามกำลังไฟฟ้าที่กำหนด

แม้ว่าค่าการนำความร้อนของ GaN จะต่ำกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับซิลิคอน แต่ข้อได้เปรียบด้านการจัดการความร้อนก็ปูทางไปสู่ช่องทางใหม่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการพื้นที่ระดับพรีเมียมและจำเป็นต้องลดโซลูชันการทำความเย็นให้เหลือน้อยที่สุด เช่น ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์กานความสามารถของอุปกรณ์ในการรักษาประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงยังเน้นย้ำถึงศักยภาพในการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ประการที่สอง ช่องว่างแถบขนาดใหญ่ของ GaN (3.4eV เทียบกับ 1.1eV) ช่วยให้สามารถใช้งานได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นก่อนที่อิเล็กทริกจะสลาย เพราะเหตุนี้,กานไม่เพียงแต่ให้กำลังที่มากกว่าเท่านั้น แต่ยังสามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพที่สูงกว่าอีกด้วย

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงก็เอื้ออำนวยเช่นกันกานเพื่อนำไปใช้ในความถี่ที่สูงขึ้น ปัจจัยนี้ทำให้ GaN จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันพลังงาน RF ที่ทำงานเหนือช่วง GHz ซึ่งซิลิคอนต้องดิ้นรนเพื่อรับมือ อย่างไรก็ตามในแง่ของการนำความร้อน ซิลิคอนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเล็กน้อยกานหมายความว่าอุปกรณ์ GaN มีความต้องการระบายความร้อนมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอน เป็นผลให้การขาดการนำความร้อนจำกัดความสามารถในการย่อขนาดกานอุปกรณ์สำหรับการทำงานที่มีกำลังสูง เนื่องจากจำเป็นต้องใช้ปริมาณวัสดุที่มากขึ้นเพื่อการกระจายความร้อน

อะไรคือข้อบกพร่องร้ายแรงของกาน—ขาดประเภท P?

การมีเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถทำงานที่กำลังไฟฟ้าสูงและความถี่สูงได้นั้นยอดเยี่ยมมาก อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อได้เปรียบทั้งหมด แต่ GaN ก็มีข้อบกพร่องสำคัญประการหนึ่งที่ขัดขวางความสามารถในการแทนที่ซิลิคอนในการใช้งานหลายอย่างอย่างจริงจัง นั่นคือ การไม่มีอุปกรณ์ GaN ชนิด P

วัตถุประสงค์หลักประการหนึ่งของวัสดุที่ค้นพบใหม่เหล่านี้คือการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ และรองรับกำลังและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และไม่ต้องสงสัยเลยว่าในปัจจุบันกานทรานซิสเตอร์สามารถบรรลุสิ่งนี้ได้ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าทรานซิสเตอร์ GaN แต่ละตัวจะสามารถให้คุณสมบัติที่น่าประทับใจได้ แต่ความจริงที่ว่าในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันทั้งหมดกานอุปกรณ์ที่เป็นประเภท N ส่งผลต่อความสามารถด้านประสิทธิภาพ

เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนี้ เราต้องดูว่าตรรกะของ NMOS และ CMOS ทำงานอย่างไร เนื่องจากกระบวนการผลิตและการออกแบบที่เรียบง่าย ตรรกะ NMOS จึงเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงปี 1970 และ 1980 ด้วยการใช้ตัวต้านทานตัวเดียวที่เชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายไฟและเดรนของทรานซิสเตอร์ MOS ชนิด N ประตูของทรานซิสเตอร์นี้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าเดรนของทรานซิสเตอร์ MOS ได้ โดยการนำ NOT เกทไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อรวมกับทรานซิสเตอร์ NMOS อื่นๆ สามารถสร้างองค์ประกอบลอจิกทั้งหมด รวมถึง AND, OR, XOR และแลตช์ได้

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะเรียบง่าย แต่ก็ใช้ตัวต้านทานเพื่อจ่ายพลังงาน ซึ่งหมายความว่าเมื่อทรานซิสเตอร์ NMOS ทำงาน ตัวต้านทานจะสูญเสียพลังงานจำนวนมากไป สำหรับแต่ละเกต การสูญเสียพลังงานนี้มีน้อยมาก แต่เมื่อขยายเป็น CPU 8 บิตขนาดเล็ก การสูญเสียพลังงานนี้อาจสะสม ทำให้อุปกรณ์ร้อนขึ้น และจำกัดจำนวนส่วนประกอบที่ทำงานอยู่บนชิปตัวเดียว

เทคโนโลยี NMOS พัฒนาไปสู่ ​​CMOS ได้อย่างไร

ในทางกลับกัน CMOS ใช้ทรานซิสเตอร์ชนิด P และ N ที่ทำงานประสานกันในลักษณะตรงกันข้าม ไม่ว่าสถานะอินพุตของลอจิกเกต CMOS จะเป็นอย่างไร เอาท์พุตของเกทจะไม่อนุญาตให้มีการเชื่อมต่อจากกำลังไฟลงกราวด์ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมาก (เช่นเดียวกับเมื่อตัวนำประเภท N, ประเภท P เป็นฉนวน และในทางกลับกัน) ในความเป็นจริง การสูญเสียพลังงานที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวในวงจร CMOS เกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนสถานะ โดยที่การเชื่อมต่อชั่วคราวระหว่างพลังงานและกราวด์จะเกิดขึ้นผ่านคู่เสริม

กลับมาที่กานอุปกรณ์ เนื่องจากปัจจุบันมีเพียงอุปกรณ์ประเภท N เท่านั้น เทคโนโลยีเดียวที่มีอยู่สำหรับกานคือ NMOS ซึ่งโดยเนื้อแท้แล้วต้องการพลังงานมาก นี่ไม่ใช่ปัญหาสำหรับเครื่องขยายสัญญาณ RF แต่เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญสำหรับวงจรลอจิก

เนื่องจากการใช้พลังงานทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากเทคโนโลยีได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิด การแสวงหาประสิทธิภาพการใช้พลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงมีความสำคัญมากขึ้นกว่าที่เคย ข้อจำกัดด้านการใช้พลังงานของเทคโนโลยี NMOS ตอกย้ำถึงความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับการพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงและมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานสูง การพัฒนาประเภท Pกานหรือเทคโนโลยีเสริมทางเลือกอาจเป็นก้าวสำคัญในภารกิจนี้ ซึ่งอาจปฏิวัติการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงาน

สิ่งที่น่าสนใจคือสามารถผลิต P-type ได้ทั้งหมดกานอุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในแหล่งกำเนิดแสง LED สีฟ้า รวมถึง Blu-ray อย่างไรก็ตาม แม้ว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะเพียงพอสำหรับข้อกำหนดด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ยังห่างไกลจากอุดมคติสำหรับตรรกะดิจิทัลและแอปพลิเคชันด้านพลังงาน ตัวอย่างเช่น สารเจือปนที่ใช้งานได้จริงเพียงชนิดเดียวสำหรับการผลิตชนิด Pกาน devices is magnesium, but due to the high concentration required, hydrogen can easily enter the structure during annealing, affecting the material’s performance.

ดังนั้นจึงไม่มีชนิด Pกานอุปกรณ์ป้องกันไม่ให้วิศวกรใช้ประโยชน์จากศักยภาพของ GaN ในฐานะเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างเต็มที่

สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับวิศวกรในอนาคต?

ในปัจจุบัน มีการศึกษาวัสดุหลายชนิด โดยที่ตัวเลือกหลักอีกประเภทหนึ่งคือซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ชอบกานเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน มันมีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่สูงกว่า แรงดันพังทลายที่มากกว่า และการนำไฟฟ้าที่ดีกว่า นอกจากนี้ ค่าการนำความร้อนสูงยังทำให้สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสุดขั้วและมีขนาดเล็กลงอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่ควบคุมพลังงานได้มากขึ้น

อย่างไรก็ตามไม่เหมือนกาน, SiC ไม่เหมาะสำหรับความถี่สูง ซึ่งหมายความว่าไม่น่าจะนำไปใช้กับแอปพลิเคชัน RF ดังนั้น,กานยังคงเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับวิศวกรที่ต้องการสร้างเพาเวอร์แอมป์ขนาดเล็ก วิธีแก้ไขปัญหาประเภท P อย่างหนึ่งคือการรวมเข้าด้วยกันกานด้วยทรานซิสเตอร์ MOS ซิลิคอนชนิด P แม้ว่าสิ่งนี้จะให้ความสามารถเสริม แต่ก็จำกัดความถี่และประสิทธิภาพของ GaN โดยธรรมชาติ

เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าไป นักวิจัยอาจพบชนิด P ในที่สุดกานอุปกรณ์หรืออุปกรณ์เสริมที่ใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ ที่สามารถใช้ร่วมกับ GaN ได้ อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งวันนั้นมาถึงกานจะยังคงถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดทางเทคโนโลยีในยุคของเราต่อไป

ลักษณะแบบสหวิทยาการของการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับวัสดุศาสตร์ วิศวกรรมไฟฟ้า และฟิสิกส์ ตอกย้ำถึงความพยายามในการทำงานร่วมกันที่จำเป็นเพื่อเอาชนะข้อจำกัดในปัจจุบันของกานเทคโนโลยี. ความก้าวหน้าที่เป็นไปได้ในการพัฒนา P-typeกานหรือการค้นหาวัสดุเสริมที่เหมาะสมไม่เพียงแต่จะเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ GaN เท่านั้น แต่ยังมีส่วนช่วยในขอบเขตกว้างของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย ซึ่งปูทางไปสู่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ กะทัดรัด และเชื่อถือได้มากขึ้นในอนาคต**

พวกเราที่ Semicorex ผลิตและจัดหาสินค้าในกานEpi-wafer และเวเฟอร์ประเภทอื่นๆใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

โทรศัพท์ติดต่อ: +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com