GaN चा घातक दोष

जग अर्धसंवाहक क्षेत्रात नवीन संधी शोधत असताना,गॅलियम नायट्राइड (GaN)भविष्यातील शक्ती आणि RF अनुप्रयोगांसाठी संभाव्य उमेदवार म्हणून उभे राहणे सुरू आहे. तथापि, त्याचे असंख्य फायदे असूनही, GaN समोर एक महत्त्वपूर्ण आव्हान आहे: P-प्रकार उत्पादनांची अनुपस्थिती. का आहेGaNपुढील प्रमुख सेमीकंडक्टर सामग्री म्हणून ओळखले जाते, P-प्रकार GaN उपकरणांची कमतरता ही एक गंभीर कमतरता का आहे आणि भविष्यातील डिझाइनसाठी याचा अर्थ काय आहे?

का आहेGaNनेक्स्ट मेजर सेमीकंडक्टर मटेरियल म्हणून स्वागत केले?

इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात, पहिली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बाजारात आल्यापासून चार तथ्ये टिकून आहेत: त्यांना शक्य तितक्या लहान, शक्य तितक्या स्वस्त, शक्य तितकी उर्जा ऑफर करणे आणि शक्य तितक्या कमी उर्जेचा वापर करणे आवश्यक आहे. या आवश्यकता अनेकदा एकमेकांशी संघर्ष करत असल्याने, चारही आवश्यकता पूर्ण करणारे परिपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक उपकरण तयार करण्याचा प्रयत्न करणे हे दिवास्वप्नासारखे वाटते. तथापि, यामुळे अभियंत्यांनी ते साध्य करण्यासाठी प्रयत्न करणे थांबवले नाही.

या चार मार्गदर्शक तत्त्वांचा वापर करून, अभियंत्यांनी अशक्य वाटणारी विविध कामे पूर्ण करण्यात यश मिळवले आहे. संगणक खोलीच्या आकाराच्या मशीनपासून तांदळाच्या दाण्यापेक्षा लहान चिप्सपर्यंत संकुचित झाले आहेत, स्मार्टफोन्स आता वायरलेस कम्युनिकेशन आणि इंटरनेट ऍक्सेस सक्षम करतात आणि व्हर्च्युअल रिॲलिटी सिस्टम आता परिधान केले जाऊ शकतात आणि होस्टच्या स्वतंत्रपणे वापरल्या जाऊ शकतात. तथापि, अभियंते सिलिकॉन सारख्या सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीच्या भौतिक मर्यादेपर्यंत पोहोचत असताना, उपकरणे लहान करणे आणि कमी उर्जा वापरणे हे आव्हानात्मक बनले आहे.

परिणामी, संशोधक सतत नवीन सामग्रीच्या शोधात असतात जे संभाव्यतः अशा सामान्य सामग्रीची जागा घेऊ शकतात आणि लहान, अधिक कार्यक्षम उपकरणे ऑफर करणे सुरू ठेवू शकतात.गॅलियम नायट्राइड (GaN)ही अशी एक सामग्री आहे ज्याने लक्षणीय लक्ष वेधले आहे आणि सिलिकॉनच्या तुलनेत त्याची कारणे स्पष्ट आहेत.

काय बनवतेगॅलियम नायट्राइडअपवादात्मकपणे कार्यक्षम?

प्रथम, GaN ची विद्युत चालकता सिलिकॉनच्या तुलनेत 1000 पट जास्त आहे, ज्यामुळे ते उच्च प्रवाहांवर कार्य करण्यास सक्षम होते. याचा अर्थGaNउपकरणे जास्त उष्णता निर्माण न करता लक्षणीय उच्च पॉवर स्तरांवर चालवू शकतात, ज्यामुळे त्यांना दिलेल्या पॉवर आउटपुटसाठी लहान केले जाऊ शकते.

सिलिकॉनच्या तुलनेत GaN ची थर्मल चालकता किंचित कमी असूनही, त्याचे उष्णता व्यवस्थापन फायदे उच्च-शक्ती इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये नवीन मार्ग तयार करतात. हे विशेषतः अशा ऍप्लिकेशन्ससाठी महत्वाचे आहे जिथे जागा प्रीमियमवर आहे आणि एरोस्पेस आणि ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रॉनिक्स सारख्या कूलिंग सोल्यूशन्स कमी करणे आवश्यक आहे.GaNउच्च तापमानात कार्यप्रदर्शन टिकवून ठेवण्याची उपकरणांची क्षमता कठोर वातावरणातील अनुप्रयोगांमध्ये त्यांची क्षमता अधिक हायलाइट करते.

दुसरे म्हणजे, GaN चे मोठे बँड गॅप (1.1eV च्या तुलनेत 3.4eV) डायलेक्ट्रिक ब्रेकडाउनपूर्वी उच्च व्होल्टेजवर वापरण्याची परवानगी देते. परिणामी,GaNकेवळ जास्त शक्तीच देत नाही तर उच्च कार्यक्षमता राखून उच्च व्होल्टेजवर देखील कार्य करू शकते.

उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता देखील परवानगी देतेGaNउच्च फ्रिक्वेन्सीवर वापरण्यासाठी. हा घटक GHz रेंजच्या वर चालणाऱ्या RF पॉवर ऍप्लिकेशन्ससाठी GaN आवश्यक बनवतो, ज्याला हाताळण्यासाठी सिलिकॉन धडपडत आहे. तथापि, थर्मल चालकतेच्या बाबतीत, सिलिकॉन किंचित जास्त कामगिरी करतेGaN, म्हणजे सिलिकॉन उपकरणांच्या तुलनेत GaN उपकरणांची थर्मल आवश्यकता जास्त असते. परिणामी, थर्मल चालकतेची कमतरता लघुकरण करण्याची क्षमता मर्यादित करतेGaNउच्च-शक्तीच्या ऑपरेशनसाठी उपकरणे, कारण उष्णता नष्ट करण्यासाठी मोठ्या सामग्रीची आवश्यकता असते.

च्या घातक दोष काय आहेGaN-पी-प्रकारचा अभाव?

उच्च शक्ती आणि उच्च फ्रिक्वेन्सीवर कार्य करण्यास सक्षम अर्धसंवाहक असणे उत्कृष्ट आहे. तथापि, त्याचे सर्व फायदे असूनही, GaN मध्ये एक मोठा दोष आहे जो अनेक अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉन बदलण्याच्या क्षमतेस गंभीरपणे अडथळा आणतो: P-प्रकार GaN उपकरणांचा अभाव.

या नवीन शोधलेल्या साहित्याचा एक मुख्य उद्देश म्हणजे कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा करणे आणि उच्च शक्ती आणि व्होल्टेजला समर्थन देणे, आणि यात शंका नाही की वर्तमानGaNट्रान्झिस्टर हे साध्य करू शकतात. तथापि, जरी वैयक्तिक GaN ट्रान्झिस्टर खरोखरच काही प्रभावी वैशिष्ट्ये प्रदान करू शकतात, ही वस्तुस्थिती आहे की सर्व वर्तमान व्यावसायिकGaNउपकरणे N-प्रकार आहेत त्यांच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात.

असे का होते हे समजून घेण्यासाठी, आपल्याला NMOS आणि CMOS तर्क कसे कार्य करतात ते पहावे लागेल. त्यांच्या साध्या उत्पादन प्रक्रियेमुळे आणि डिझाइनमुळे, NMOS लॉजिक हे 1970 आणि 1980 च्या दशकात खूप लोकप्रिय तंत्रज्ञान होते. एन-टाइप एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या वीज पुरवठा आणि ड्रेन दरम्यान जोडलेले एकल रेझिस्टर वापरून, या ट्रान्झिस्टरचे गेट एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या ड्रेन व्होल्टेजवर नियंत्रण ठेवू शकते, प्रभावीपणे नॉट गेटची अंमलबजावणी करू शकते. इतर NMOS ट्रान्झिस्टरसह एकत्रित केल्यावर, AND, OR, XOR आणि लॅचेससह सर्व तर्क घटक तयार केले जाऊ शकतात.

तथापि, हे तंत्रज्ञान सोपे असले तरी, ते शक्ती प्रदान करण्यासाठी प्रतिरोधकांचा वापर करते. याचा अर्थ असा की जेव्हा NMOS ट्रान्झिस्टर चालवतात तेव्हा प्रतिरोधकांवर मोठ्या प्रमाणात उर्जा वाया जाते. वैयक्तिक गेटसाठी, हे पॉवर लॉस कमीत कमी आहे, परंतु जेव्हा लहान 8-बिट CPU पर्यंत मोजले जाते, तेव्हा ही पॉवर लॉस जमा होऊ शकते, डिव्हाइस गरम करू शकते आणि एका चिपवर सक्रिय घटकांची संख्या मर्यादित करू शकते.

NMOS तंत्रज्ञान CMOS मध्ये कसे विकसित झाले?

दुसरीकडे, सीएमओएस पी-टाइप आणि एन-टाइप ट्रान्झिस्टर वापरते जे विरुद्ध मार्गांनी समन्वयाने कार्य करतात. CMOS लॉजिक गेटच्या इनपुट स्थितीकडे दुर्लक्ष करून, गेटचे आउटपुट पॉवर ते ग्राउंड कनेक्शनला परवानगी देत ​​नाही, ज्यामुळे पॉवर लॉस लक्षणीयरीत्या कमी होतो (जसे N-प्रकार चालते तेव्हा, P-प्रकार इन्सुलेट होते आणि त्याउलट). खरं तर, सीएमओएस सर्किट्समधील एकमेव वास्तविक वीज हानी राज्य संक्रमणादरम्यान होते, जेथे वीज आणि जमीन यांच्यातील एक क्षणिक कनेक्शन पूरक जोड्यांमधून तयार होते.

कडे परत येत आहेGaNडिव्हाइसेस, सध्या फक्त N-प्रकारची साधने अस्तित्वात असल्याने, यासाठी एकमेव उपलब्ध तंत्रज्ञान आहेGaNNMOS आहे, जे मूळतः शक्ती-भुकेले आहे. आरएफ ॲम्प्लिफायर्ससाठी ही समस्या नाही, परंतु लॉजिक सर्किट्ससाठी ही एक मोठी कमतरता आहे.

जागतिक ऊर्जेचा वापर सतत वाढत असल्याने आणि तंत्रज्ञानाचा पर्यावरणीय प्रभाव बारकाईने तपासला जात असल्याने, इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये ऊर्जा कार्यक्षमतेचा पाठपुरावा पूर्वीपेक्षा अधिक गंभीर बनला आहे. NMOS तंत्रज्ञानाच्या उर्जा वापराच्या मर्यादा उच्च कार्यक्षमता आणि उच्च ऊर्जा कार्यक्षमता प्रदान करण्यासाठी अर्धसंवाहक सामग्रीमध्ये प्रगतीची तातडीची गरज अधोरेखित करतात. पी-प्रकारचा विकासGaNकिंवा पर्यायी पूरक तंत्रज्ञान या शोधात एक महत्त्वपूर्ण मैलाचा दगड ठरू शकतात, ज्यामुळे ऊर्जा-कार्यक्षम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या डिझाइनमध्ये संभाव्य क्रांती घडू शकते.

विशेष म्हणजे, पी-प्रकार तयार करणे पूर्णपणे शक्य आहेGaNउपकरणे, आणि हे ब्लू-रेसह निळ्या एलईडी प्रकाश स्रोतांमध्ये वापरले गेले आहेत. तथापि, ही उपकरणे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आवश्यकतांसाठी पुरेशी असली तरी, डिजिटल लॉजिक आणि पॉवर ऍप्लिकेशन्ससाठी ते आदर्श नाहीत. उदाहरणार्थ, पी-टाइप तयार करण्यासाठी एकमेव व्यावहारिक डोपंटGaNउपकरणे मॅग्नेशियम आहेत, परंतु आवश्यक उच्च एकाग्रतेमुळे, हायड्रोजन सहजपणे ॲनिलिंग दरम्यान संरचनेत प्रवेश करू शकतो, ज्यामुळे सामग्रीच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम होतो.

म्हणून, पी-प्रकारची अनुपस्थितीGaNउपकरणे अभियंत्यांना अर्धसंवाहक म्हणून GaN ची क्षमता पूर्णपणे वापरण्यापासून प्रतिबंधित करते.

भविष्यातील अभियंत्यांसाठी याचा अर्थ काय आहे?

सध्या, बऱ्याच सामग्रीचा अभ्यास केला जात आहे, ज्यामध्ये आणखी एक प्रमुख उमेदवार सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आहे. आवडलेGaN, सिलिकॉनच्या तुलनेत, ते उच्च ऑपरेटिंग व्होल्टेज, मोठे ब्रेकडाउन व्होल्टेज आणि उत्तम चालकता देते. याव्यतिरिक्त, त्याची उच्च थर्मल चालकता जास्त शक्ती नियंत्रित करताना अत्यंत तापमानात आणि लक्षणीय लहान आकारात वापरण्याची परवानगी देते.

तथापि, विपरीतGaN, SiC उच्च फ्रिक्वेन्सीसाठी योग्य नाही, याचा अर्थ RF अनुप्रयोगांसाठी वापरला जाण्याची शक्यता नाही. त्यामुळे,GaNलहान पॉवर ॲम्प्लिफायर तयार करू पाहणाऱ्या अभियंत्यांसाठी ही पसंतीची निवड आहे. P-प्रकार समस्येचा एक उपाय म्हणजे एकत्र करणेGaNपी-प्रकार सिलिकॉन एमओएस ट्रान्झिस्टरसह. हे पूरक क्षमता प्रदान करत असताना, हे मूळतः GaN ची वारंवारता आणि कार्यक्षमता मर्यादित करते.

तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीमुळे, संशोधकांना अखेरीस पी-प्रकार सापडू शकतोGaNभिन्न तंत्रज्ञान वापरून उपकरणे किंवा पूरक उपकरणे जी GaN सह एकत्रित केली जाऊ शकतात. तथापि, तो दिवस येईपर्यंत,GaNआमच्या काळातील तांत्रिक मर्यादांमुळे मर्यादित राहतील.

सेमीकंडक्टर संशोधनाचे आंतरविद्याशाखीय स्वरूप, ज्यामध्ये साहित्य विज्ञान, इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकी आणि भौतिकशास्त्र यांचा समावेश आहे, सध्याच्या मर्यादांवर मात करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या सहयोगी प्रयत्नांना अधोरेखित करते.GaNतंत्रज्ञान पी-प्रकार विकसित करण्यात संभाव्य यशGaNकिंवा योग्य पूरक सामग्री शोधणे केवळ GaN-आधारित उपकरणांचे कार्यप्रदर्शन वाढवू शकत नाही तर भविष्यात अधिक कार्यक्षम, संक्षिप्त आणि विश्वासार्ह इलेक्ट्रॉनिक प्रणालींसाठी मार्ग मोकळा करून व्यापक अर्धसंवाहक तंत्रज्ञान लँडस्केपमध्ये योगदान देऊ शकते.**

आम्ही Semicorex येथे उत्पादन आणि पुरवठा करतोGaNEpi-wafers आणि इतर प्रकारचे वेफर्ससेमीकंडक्टर मॅन्युफॅक्चरिंगमध्ये लागू, तुमच्याकडे काही चौकशी असल्यास किंवा अतिरिक्त तपशीलांची आवश्यकता असल्यास, कृपया आमच्याशी संपर्क साधण्यास अजिबात संकोच करू नका.

संपर्क फोन: +86-13567891907

ईमेल: sales@semicorex.com