Galliumnitriid

Galliumnitriidi kristallstruktuur

Galliumnitriid (lühend GaN) on väga raske ja mehaaniliselt stabiilne, laia ribalaiusega pooljuht, millel on suur läbilöögitugevus, kiire lülituskiirus, suure soojusjuhtivus ja väike sisselülitustakistus.

Kristalle saab kasvada erinevatel substraatidel, näiteks safiiril, ränikarbiidil ja ränil. Galliumnitriid on binaarne III ja V perioodilisustabeli elementide rühma materjale kasutav otsese ribalaiusega pooljuht. Sobides hästi suure võimsusega transistoridele, mis on võimelised töötama kõrgetel temperatuuridel. Pooljuhtmaterjalidel on olemas ribalaius. See on tahkises olev energiavahemik, kus elektron ei saa eksisteerida. Ribalaius on seotud sellega, kuidas suudab tahke materjal elektrit juhtida. Galliumnitriid on ribalaiusega 3,4 eV, kuid ränil on see 1,12 eV. Laiem ribalaius tingib selle, et galliumnitriid suudab taluda kõrgemat pinget ja temperatuuri kui räni transistorid. Laiem riba lubab galliumnitriidi rakendada optoelektroonilistes, suurt võimsust vajavates ja kõrgsagedustel töötavates seadmetes. Võimalus töötada kõrgematel temperatuuridel ja pingetel kui Galliumarseniid (lühend GaAs) transistorid, muutes galliumnitriidi ideaalseks võimsusvõimendiks mikrolaine- ja terahertsseadmete jaoks, tuleviku turgudeks pildistamise ja tuvastamise jaoks. Füüsiliselt on galliumnitriid väga kõva materjal Knoopi kõvadusena mõõdetuna koefitsiendiga 14,21 GPa. Puhtal kujul on see purunemiskindel ja seda saab sadestada õhukese kihina substraatidele.

Galliumnitriid on peale räni kõige populaarsem materjal pooljuhtide tööstuses. Galliumnitriid kui laia ribalaiusega pooljuht, mida kasutatakse kõrge efektiivsusega võimsustransistorides ja integraallülitustes. Kasvatades õhukese alumiinium-galliumnitriidi kihti kristalli peale, siis tekib liidesel tüvi, mis indutseerib kompenseeriva kahemõõtmelise elektrongaasi (inglise two-dimensional electron gas, lühend 2DEG). Seda kasutatakse elektronide efektiivseks juhtimiseks elektrivälja toimel. 2DEG on väga juhtiv, elektronide piirnemise tõttu liidese väga väikeses piirkonnas. Piirang suurendab elektronide liikumist umbes 1000 korda 2DEG piirkonnas. Kõrge liikuvus toodab transistore ja integraallülitusi. Galliumnitriidil põhinevad elektroonikaseadmed lülituvad seega kiiremini ja tarbivad vähem energiat kui klassikalised ränipõhised seadmed.

1990. aastatest on galliumnitriidi kasutatud valgusdioodides. Galliumnitriid eraldab sinist valgust, mida kasutatakse Blu-ray plaadi lugemiseks. Samuti kasutatakse galliumnitriidi pooljuhtide toiteseadmetes, RF-komponentides, seadmetes, mis on mõeldud raadiosagedusel signaalide edastamiseks või vastuvõtmiseks, laserites ja fotoonikas. Tulevikus näeme galliumnitriidi andurite tehnoloogias.

GaN-transistorid

GaN HEMT

Suure elektroni liikuvusega transistorid (inglise High-electron-mobility transistors, lühend HEMT ). Need on transistorid, mis kasutavad kahemõõtmelist elektrongaasi, mis tekib kahe erineva ribalaiusega materjali vahelisest ristumisest. Galliumnitriidil põhinevatel HEMT transistoridel on suurem lülituskiirus, suurem soojusjuhtivus ja väiksem sisselülitustakistus, võrreldes ränipõhiste lahendustega. Need omadused võimaldavad kasutada GaN-transistore ja integraallülitusi vooluahelates, et suurendada efektiivsust, vähendada suurust ja maksumust erinevate võimsuse muundamise süsteemide pealt. Kõik GaN-transistorid ja GaN-väljatransistorid on olemuselt suure elektroni liikuvusega transistorid. Kõik galliumnitriid väljatransistorid (inglise field-effect transistor, lühend FET) või HEMT-id kasutavad sama põhitehnoloogiat, kasutades HEMT struktuuri koos selle kahemõõtmelise elektrongaasi piirkonnaga, mis tagab seadme põhilise töörežiimi. GaN HEMT-d on saadaval nii tühjendusrežiimis kui ka täiendusrežiimis.

GaN lülitusseadmeid on kahte tüüpi: täiendusrežiim (inglise enhancement mode, lühend e-GaN) ja tühjendusrežiim (inglise depletion mode, lühend d-GaN). Tühjendusrežiimi GaN-transistor on tavaliselt sisse lülitatud. Selle väljalülitamiseks tuleb paisule rakendada neelu ja lätte elektroodide suhtes negatiivne pinge. Täiendusrežiimis või e-režiimis väljatransistorid on tavaliselt välja lülitatud. Need lülitatakse sisse rakendades paisule neelu ja lätte suhtes positiivset pinget. Tegelike väljatransistoride struktuurid erinevad mõlema tüübi puhul. Lisaks on nende elektroonikakomponentide tootjad võtnud kasutusele erinevaid lähenemisviise, kuid tööpõhimõtted on samad.

GaN-väljatransistor

GaN-väljatransistoril on olemas pais (inglise gate), läte (inglise source) ja neel (inglise drain) elektroodid. Läte ja neel elektroodid tungivad läbi ülemise AlGaN kihi, moodustades oomilise kontakti all oleva 2DEG-ga. Tekitades lühise lätte ja neelu vahel, kuni 2DEG elektronide kogum on ammendatud ja polariseeruv GaN kristall võib voolu blokeerida. 2DEG vähendamiseks asetatakse AlGaN kihi peale paisuelektrood. GaN-transistorides moodustatakse paisuelektrood Schottky kontaktina ülemise pinnaga. Rakendades selle kontaktile negatiivset pinget, muutub Schottky barjäär vastupidiseks ja selle all olevad elektronid tühjenevad. Seetõttu on sellise seadme väljalülitamiseks vaja negatiivset pinget nii neelu kui ka läte elektroodide suhtes. Selliseid transistore nimetatakse tühjendusrežiimiks või d-režiimiks.

Tühjendusrežiimi GaN-transistor

Tühjendusrežiimi GaN HEMT transistori põhistruktuur koosneb kolmest elektroodist, milleks on läte, neel ja pais, tavalise väljatransistori puhul. Pais ja neel on valmistatud nii, et need ei asu AlGaN kihil, vaid puutuvad kokku otse GaN piirkonnaga ja seega 2DEG-ga. Tühjendusrežiimis HEMT tekitab neelu ja paisu vahel lühise. Elektronide voolu vähendamiseks läbi 2DEG-i rakendatakse paisule neelu ja lätte suhtes negatiivne potentsiaal, mis tühjendab elektronide kanali, vähendades sedasi kanali juhtivust. Selliseid tühjendusrežiimis GaN-transistore saab luues Schottky paisu elektroodi, asetades metallkiht otse AlGaN peale, kasutades selliseid materjale nagu nikkel-kuld või plaatina. Schottky barjäär võimaldab kanali juhtivust kontrollida ühendades metalli ja pooljuhi kontaktpinnad. Samuti saab tühjendusrežiimis GaN-transistore valmistada ka isolatsioonikihi abil ja seejärel asetades sellele metallpaisule, mis sarnaneb räni isoleeritud paisuga väljatransistoriga (inglise metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, lühend MOSFET). Tühjendusrežiimi GaN-transistore kasutatakse paljude elektroonikaahelates, kuid mitte toitesüsteemides, sest võimsusmuunduri käivitamisel tuleb kõigepealt toiteseadmele rakendada negatiivne nihe, muidu tekib lühis.

Täiendusrežiimi GaN-transistor

Täiendusrežiimis GaN töötab tavalise MOSFET-tina isegi kui sellel on vähendatud paisu ja lätte vahelist pinget. Lubab madalamat takistust ilma kehakatoodita kahesuunalise kanaliga. e-GaN-transistor on tavaliselt välja lülitatud ja lülitub sisse kui paisule rakendatakse positiivset pinget. Erinevalt d-GaN-ist ei vaja e-GaN seadmed negatiivset käivitus pinget, kui paisul on null algpinge, lülitatakse seade välja ja see ei juhi voolu. Täiendusrežiimi GaN-transistoride loomiseks kasutatakse mitmeid meetodeid. Nende väljatransistoride jaoks kasutatakse erinevaid struktuure, näitena siirdatud pais ja süvistatav pais. Siirdatud paisu meetodil täiendusrežiimis GaN-väljatransistoride valmistamiseks kasutatakse fluori aatomite siirdamist AlGaN barjääri kihi paisu piirkonda. Fluori aatomid tekitavad AlGaN kihis negatiivse laengu ja tühjendab elektronid selles piirkonnas 2DEG-i tasapinnalt. Selle piirkonna peal olev Schottky pais tagab juhtimise, sest positiivse nihke rakendamisel elektronid tõmmatakse tagasi selle piirkonna 2DEG tasandisse ja vool hakkab liikuma kanalis. Teine meetod süvistatud paisu struktuur luuakse AlGaN barjääri piirkonna hõrendamisel 2DEG tasandi kohal. See vähendab piesoelektrilise efekti tekitatud pinget selles piirkonnas. Punkt saavutatakse, kus pingest tekitatud pinge kristallstruktuuris on väiksem kui Schottky metallpaisu sisseehitatud pinge ja nullnihkega elimineeritakse 2DEG-i tasand. Kui paisule asetatakse positiivne nihe, tõmmatakse elektronid tagasi kahe pooljuhtmaterjali vahelise liidese juurde ja vool on võimeline liikuma sõltuvalt nihke tasemest. GaN pooljuht tehnoloogia areneb kiiresti tänu eelistele RF-disainis ja paljude toitelahenduste disainis.

Kõrgepinge GaN-transistor seadmed

Lisaks GaN tühjendus- ja täiustusrežiimis seadmetele on turule jõudnud ka kõrgepinge vertikaalsed GaN-seadmed (lühend v-GaN). Arenev v-GaN tehnoloogia on suunatud rakendustele, mis vajavad 1 kV ja sellest kõrgemat pinget, mis praegu kasutavad räni ja ränikarbiidi. Kõrgepinge GaN seadmed vajavad hulga GaN substraate, sest triivpiirkond ja substraat on mõlemad galliumnitriidipõhised, selle tõttu peab defektide tihedus olema palju väiksem kui räni substraatidel kasvatatud galliumnitriidil. v-GaN struktuuri defektide tihedus on ligikaudu 1000 – 10 000 korda väiksem kui külgmistes struktuurides. v-GaN seadmete struktuuride madal defektide tihedus lubab pinget 10kV või rohkem. Need seadmed on aga kulukad, sest galliumnitriid substraadid on liiga väikesed, suuruselt umbes 100 mm. Samas nendel seadmetel on tootmiseks vajalikud stantsid palju väiksemad, mis toovad ka kulusid all. Galliumnitriidsubstraatide suurem kättesaadavus vähendaks v-GaN võimsustransistoride maksumust. Kõrgemad sagedused võimaldavad kasutada väiksemaid ja odavamaid passiiv komponente ning suurendada nõnda efektiivsust võimsusmuundurite v-GaN tehnoloogias.

Galliumnitriidist suure elektronliikuvusega transistorid

Galliumnitriidi ja GaN-transistoride kasutus

Galliumnitriidi kasutatakse autotööstuses, andmekeskustes, tööstustes, lennundus ja kaitse valdkondades, tarbeelektroonikas, meditsiinitehnikas ning sides.

Pilve teenuse kasv sunnib arengut ka andmekeskustes, mis on peamised energiatarbijad. Üks võimalus energiakadude vähendamiseks on eemaldada kogu võimsuse muundamise etapp, kui toide suunatakse andmekeskuse sisendist lõpp koormuspunkti. Tänu GaN omadustele on võimalik teisendada pinge 48 V otse vahemikku 1 V, mida on vaja koormuspunktis, ilma vahepealse peatuspunktita 12 V juures. Potentsiaalne energiasääst sellise arhitektuuri juures on suur, arvestades pilve infrastruktuuri toimimiseks vajaliku arvutusvõimsusega ja andmekeskuste kiiret laienemist.

Autonoomsete sõidukite rakendustes, kus lidar laseb kiiresti juhtiva valgusvihu ja salvestab aja, mis kulub kiire tagasitulekuks kui ka suuna kuhu see suunati, luues nõnda 360-kraadise kolmemõõtmelise pildi sõidukit ümbritsevast. Mida kiiremini saab laserkiirt edastada, seda suurema eraldusvõimega on kaardistatavad objektid või asukoha objektid, mida lidar suudab tuvastada. Lidari süsteemis GaN tehnoloogia kasutamine võimaldab lasersignaali väljastada suurematel kiirustel. Sellist tehnoloogiat kasutatakse ka liitreaalsuse tehnoloogiate juures, droonides ja seda kasutatakse arenenumates robotites sisuliselt silmadena, millega ümbritsevast keskkonnast infot saada.

Galliumnitriidseadmed on kasutusel kosmosevaldkonnas, sest galliumnitriid talub kiirgust. GaN-i looduslikud omadused muudavad selle kahjulike kiirte suhtes immuunseks. Galliumnitriidtransistore kasutatakse ioontõukurites, satelliitpäikesepaneelide võimsuse muundamiseks, vastupidavates hästi täpsetes harjavabades elektrimootorites väikeste kuupsatelliitide reaktsioonirataste juhtimiseks. Lisaks kosmosemisioonidel kasutatavas robootikas ja automatiseeritud mõõteriistades.

Kasvav nõudlus elektrilise mobiilsuse järele nõuab väga tõhusaid ja kompaktseid mootoriajameid. GaN-väljatransistorid ja integraallülitused võimaldavad kujundada invertereid, mis suurendavad mootori efektiivsust, vähendades samal ajal suurust, kaalu ja maksumust. See võimaldab luua väiksemaid, suurema pöördemomendiga, ulatusega, täpsusega ja vaiksemaid mootorisüsteeme. Kasutust leiavad mootorisüsteemid elektrilistes liikurites ning isiklikes robootika seadmetes.

Taastuvate energiaallikate kasutuselevõtu kiirendamiseks tuleb saavutada tõhusam muundamine, energia salvestamise võimsust suurendada ja madalamaks saada kulud, samas tagades pikaajalise töökindluse. GaN-põhised toitelahendused võimaldavad päikeseenergia mikroinverteritel, optimeerijatel suurendada energiasalvestussüsteemide efektiivsust.

GaN-il on meditsiinilistes rakendustes suur roll, kuid alles on alustatud uuenduslike lahenduste avastamist. GaN-transistore kasutavaid juhtmeta toiteallikaid saab kasutada siirdatavate meditsiiniseadmete laadimiseks, mis on vajalikud diabeeti põdevatele patsientidele. Samuti kasutatakse üliväikeses röntgenaparaadis, mis on tabletisuurune, et teha kolonoskoopiat. Patsiendi jaoks meeldivam läbivaatus ja arsti jaoks hea eraldusvõimega pildid. MRI-seadmetes kasutatakse ära GaN-i suurepärast jõudlust, et saavutada 10–100 korda suurem eraldusvõime, tänu sellele saab haigusi avastada varem ja täpsemalt.

GaN HEMT transistoride tehnoloogiat kasutatakse erinevates elektroonika ahelates ja raadiosageduslike seadmete valdkondades. Toodetavate GaN-transistoride parameetrid võimaldavad rakendada neid erinevates seadmetes, kus on vajadus suure võimsuse, kõrge sageduse või suure jõudluse järgi või nende kõigi kombinatsiooni järele. Peamised rakendused toitesüsteemides, alates lülitusrežiimi toiteallikatest, toitelülitustest ja elektrisõidukites. Rakendatakse kohtades, kus efektiivsuse tase on kõrge tänu seadmete kiirele lülitumisele ja madalale sisselülitamise takistusele. Kasutatakse võimsusvõimenditena raadiosagedustel töötavates seadmetes, et suurt võimsust ja kiirust kombineerida. GaN-väljatransistorid on suure töökindlusega ja kõrge efektiivsus tasemega ning töötavad kõrgetel sagedustel. Võimsusvõimendeid kasutatakse mitmesugustes mobiiliside rakendustes, eriti 5G- ja 6G-tugijaamades. Lisaks ka satelliidi rakendustes, kus selle töökindlus ja vastupidavus peab olema suur. GaN-väljatransistore kasutatakse RF lülitites, kus on vaja raadiosageduslikku ümberlülitamist. Need saavad hakkama palju kõrgema võimsusega kui GaAs väljatransistorid, mida samuti kasutatakse raadiosageduslike ahelate lülitamiseks. Raadiosageduse lülititena on GaN-transistorid võimelised tagama madala takistuse, kõrge isolatsioonitaseme, suurepärase lineaarsuse tõttu väikese lülitus kao. Tänu suurele võimsusele ja vastupidavusele, taluvad nad erinevalt GaAs väljatransistoridest kõrget sisendvõimsuse taset, mis on vastuvõtlikumad ülekoormusele ja staatilisele elektrile. Seetõttu kasutatakse GaN-väljatransistore radari seadmetes.

Galliumnitriidi kasutamise eelised

GaN seadmete eeliseks on väikene energiakuluga. Energiakulu on väike, sest GaN pooljuhid on räni omadest tõhusamad. Need on madalama energiakuluga, sest soojusena kulutatakse vähem energiat, mille tulemusena on süsteemid väiksema suuruse ja materjalikuluga. Teiseks suurem võimsustihedus ehk väiksem maht. Ränist kõrgemad lülitussagedused ja töötemperatuurid põhjustavad väiksemaid jahutus vajadusi ja on vaja väiksemaid jahutusradiaatoreid, vedelikjahutuselt õhkjahutuseks üleminekut, ventilaatorite eemaldamist ja väiksemat magnetilisust. Kõrgemad GaN seadmete lülitus sagedused võimaldavad väiksemaid induktoreid ja kondensaatoreid kasutada toiteahelates. Induktiivsus ja mahtuvus vähenevad proportsionaalselt sagedusega võrreldes. See toob kaasa suure kaalu, mahtude ja ka maksumuse vähenemise. Kõrgem sagedus lubab mehaanilistes rakenduste osades vähendada tekkivat müra ning võimaldab juhtmevaba suurema võimsusega jõuülekannet. Galliumnitriid pooljuhid on küll tavaliselt kallimad kui räni omad, kuid süsteemi tasemel kulusid vähendatakse galliumnitriidi kasutamisega, sest vähendatakse passiivkomponentide induktorite ja kondensaatorite elementide, filtrite ja jahutuse suurusi või kulusid. GaN seadme tootmiskulud on väiksemad kui MOSFET-seadmetel, sest GaN-seadmeid toodetakse standardsete räni tootmis protseduuride abil samades tehastes, mis praegu toodavad traditsioonilisi räni pooljuhte ja tänu sellele on seadmed väiksemad sama funktsionaalsuse juures. Kuna üksikud seadmed on palju väiksemad kui räniseadmed, siis saab ühe pooljuhtplaadi (inglise wafer) kohta toota palju rohkem GaN seadmeid, mille tõttu tekib olukord, kus GaN seadmete tootmine maksab vähem kui räni analoogid.

Areng

HEMT galliumnitriidtransistorid tulid turule 2004. aastal umbes samal ajal RF-transistoridega. Kasutades galliumnitriidi ränikarbiidsubstraatidel, tõi Eudyna tootmisesse raadiosageduslikule turule mõeldud transistorid. 2005. aastal tutvustas Nitronex Corporation esimest tühjendusrežiimiga raadiosagedus RF HEMT transistori, mis oli valmistatud räniplaatidel kasvatatud galliumnitriidist, kasutades SIGANTIC tehnoloogiat. GaN RF-transistore kasutatakse jätkuvalt RF-rakendustes, sest turule on tulnud mitmed teised ettevõtted. Väljaspool turgu on aga piiranud arengut nii seadme hind kui ka tühjendusrežiimiga seotud ebamugavused. 2009. aastal tutvustas EPC (inglise Efficient Power Conversion) korporatsioon esimest täiendusrežiimis GaN-transistori, mis oli loodud spetsiaalselt MOSFET-i asendamiseks. Tooted on mõeldud suurtes kogustes ja väikeste kuludega tootmiseks, kasutades standardseid räni tootmistehnoloogiaid. Peale seda hakkasid mitmed suured ettevõtted, nagu Fujitsu, Panasonic, MicroGaN ja Texas Instrument investeerima nendesse tehnoloogiatesse ja hakkasid arendama välja oma versioone galliumnitriid HEMT seadmetest. 2018. aastal töötas GaN Power International välja 1200 V GaN HEMT seadme, mis ületas oluliselt turul olnud 650 V GaN seadme. See oli võimalik tänu nende seadmete pakendamise viisile.

Vaata ka

• MOSFET
• Transistor
• Väljatransistor
• Schottky barjäär