GaN의 치명적인 결함

세계가 반도체 분야에서 새로운 기회를 모색하고 있는 가운데,질화갈륨(GaN)는 미래의 전력 및 RF 애플리케이션을 위한 잠재적인 후보로 계속해서 두각을 나타내고 있습니다. 그러나 수많은 이점에도 불구하고 GaN은 P형 제품이 없다는 중요한 과제에 직면해 있습니다. 왜?GaN차세대 주요 반도체 재료로 주목받는데, P형 GaN 장치가 없다는 것이 왜 중요한 단점이며, 이는 미래 설계에 어떤 의미가 있습니까?

왜?GaN차세대 주요 반도체 소재로 주목받고 있습니까?

전자 분야에서는 최초의 전자 장치가 시장에 출시된 이후로 네 가지 사실이 지속되었습니다. 즉, 가능한 한 작고, 저렴하게 만들어야 하며, 가능한 한 많은 전력을 제공하고, 가능한 한 적은 전력을 소비해야 한다는 것입니다. 이러한 요구 사항이 서로 충돌하는 경우가 많다는 점을 감안할 때 네 가지 요구 사항을 모두 충족하는 완벽한 전자 장치를 만들려는 시도는 백일몽처럼 보입니다. 그러나 이것이 엔지니어들이 이를 달성하기 위해 노력하는 것을 막지는 못했습니다.

엔지니어들은 이러한 네 가지 기본 원칙을 활용하여 불가능해 보이는 다양한 작업을 수행해 왔습니다. 컴퓨터는 방 크기의 기계에서 쌀알보다 작은 칩으로 축소되었고, 스마트폰은 이제 무선 통신과 인터넷 접속을 가능하게 하며, 가상 현실 시스템은 이제 호스트와 독립적으로 착용하고 사용할 수 있습니다. 그러나 엔지니어들이 실리콘과 같이 일반적으로 사용되는 재료의 물리적 한계에 접근함에 따라 장치를 더 작게 만들고 전력을 덜 소비하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

결과적으로, 연구자들은 이러한 일반적인 재료를 대체할 수 있는 새로운 재료를 지속적으로 찾고 있으며 더 작고 효율적인 장치를 계속해서 제공하고 있습니다.질화갈륨(GaN)실리콘은 상당한 주목을 받고 있는 재료 중 하나이며, 그 이유는 실리콘과 비교할 때 분명합니다.

무엇이 만드는가질화갈륨매우 효율적인가요?

첫째, GaN의 전기 전도도는 실리콘보다 1000배 높기 때문에 더 높은 전류에서 작동할 수 있습니다. 이는 다음을 의미합니다.GaN장치는 과도한 열을 발생시키지 않고 훨씬 더 높은 전력 수준에서 작동할 수 있으므로 주어진 전력 출력에 대해 장치를 더 작게 만들 수 있습니다.

GaN은 실리콘에 비해 열전도율이 약간 낮음에도 불구하고 열 관리 이점으로 고전력 전자 장치의 새로운 길을 열었습니다. 이는 항공우주 및 자동차 전자 장치와 같이 공간이 부족하고 냉각 솔루션을 최소화해야 하는 응용 분야에 특히 중요합니다.GaN고온에서 성능을 유지하는 장치의 능력은 열악한 환경 응용 분야에서의 잠재력을 더욱 강조합니다.

둘째, GaN의 더 큰 밴드 갭(1.1eV에 비해 3.4eV)으로 인해 절연 파괴가 발생하기 전에 더 높은 전압에서 사용할 수 있습니다. 따라서,GaN더 큰 전력을 제공할 뿐만 아니라 더 높은 효율을 유지하면서 더 높은 전압에서 작동할 수도 있습니다.

높은 전자 이동도도 가능합니다.GaN더 높은 주파수에서 사용됩니다. 이러한 요인으로 인해 GaN은 실리콘이 처리하기 어려운 GHz 범위 이상에서 작동하는 RF 전력 애플리케이션에 필수적입니다. 그러나 열전도율 측면에서는 실리콘이 약간 더 뛰어납니다.GaN이는 GaN 장치가 실리콘 장치에 비해 열 요구 사항이 더 크다는 것을 의미합니다. 결과적으로 열 전도성이 부족하여 소형화 능력이 제한됩니다.GaN열 방출을 위해 더 많은 양의 재료가 필요하기 때문에 고전력 작동을 위한 장치입니다.

치명적인 결함은 무엇입니까GaN—P형이 부족하다?

고전력, 고주파에서 작동할 수 있는 반도체를 갖는 것은 탁월합니다. 그러나 모든 장점에도 불구하고 GaN에는 많은 응용 분야에서 실리콘을 대체하는 능력을 심각하게 방해하는 한 가지 주요 결함이 있습니다. 바로 P형 GaN 장치가 없다는 것입니다.

새로 발견된 물질의 주요 목적 중 하나는 효율성을 크게 향상시키고 더 높은 전력 및 전압을 지원하는 것입니다.GaN트랜지스터가 이를 달성할 수 있다. 그러나 개별 GaN 트랜지스터가 실제로 몇 가지 인상적인 특성을 제공할 수 있지만 현재의 모든 상용 트랜지스터는GaNN형 장치는 효율성 성능에 영향을 미칩니다.

이러한 경우가 발생하는 이유를 이해하려면 NMOS 및 CMOS 로직이 어떻게 작동하는지 살펴봐야 합니다. NMOS 로직은 제조 공정과 설계가 간단하기 때문에 1970년대와 1980년대에 매우 인기 있는 기술이었습니다. N형 MOS 트랜지스터의 전원과 드레인 사이에 연결된 단일 저항을 사용함으로써 이 트랜지스터의 게이트는 MOS 트랜지스터의 드레인 전압을 제어하여 NOT 게이트를 효과적으로 구현할 수 있습니다. 다른 NMOS 트랜지스터와 결합하면 AND, OR, XOR, 래치 등 모든 논리 요소를 만들 수 있습니다.

그러나 이 기술은 간단하지만 저항을 사용하여 전력을 공급합니다. 이는 NMOS 트랜지스터가 전도될 때 상당한 양의 전력이 저항기에 낭비된다는 것을 의미합니다. 개별 게이트의 경우 이 전력 손실은 최소화되지만 소형 8비트 CPU로 확장되면 이 전력 손실이 누적되어 장치가 가열되고 단일 칩의 활성 구성 요소 수가 제한될 수 있습니다.

NMOS 기술은 어떻게 CMOS로 발전했나요?

반면, CMOS는 반대 방향으로 시너지 효과를 발휘하는 P형 트랜지스터와 N형 트랜지스터를 사용합니다. CMOS 로직 게이트의 입력 상태에 관계없이 게이트의 출력은 전원에서 접지로의 연결을 허용하지 않으므로 전력 손실이 크게 줄어듭니다(N형이 전도될 때, P형이 절연될 때, 그 반대의 경우도 마찬가지임). 실제로 CMOS 회로에서 유일한 실제 전력 손실은 상태 전환 중에 발생합니다. 여기서 전력과 접지 사이의 일시적인 연결은 상보 쌍을 통해 형성됩니다.

돌아오는 곳GaN현재 N타입 디바이스만 존재하기 때문에GaN본질적으로 전력을 많이 소모하는 NMOS입니다. 이는 RF 증폭기의 경우에는 문제가 되지 않지만 논리 회로의 주요 단점입니다.

전 세계 에너지 소비가 지속적으로 증가하고 기술이 환경에 미치는 영향이 면밀히 조사됨에 따라 전자 제품의 에너지 효율성 추구가 그 어느 때보다 중요해졌습니다. NMOS 기술의 전력 소비 제한은 고성능과 높은 에너지 효율성을 제공하기 위한 반도체 재료의 획기적인 필요성을 강조합니다. P형의 발달GaN또는 대체 보완 기술은 이 탐구에서 중요한 이정표를 세울 수 있으며 잠재적으로 에너지 효율적인 전자 장치의 설계에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

흥미롭게도 P형 제작은 전적으로 가능합니다.GaN장치이며 Blu-ray를 포함한 청색 LED 광원에 사용되었습니다. 그러나 이러한 장치는 광전자 요구 사항에는 충분하지만 디지털 로직 및 전력 애플리케이션에는 이상적이지 않습니다. 예를 들어 P형 제조에 유일하게 실용적인 도펀트GaN장치는 마그네슘이지만 높은 농도가 필요하기 때문에 어닐링 중에 수소가 쉽게 구조에 유입되어 재료 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

그러므로 P형이 없다.GaN장치는 엔지니어가 반도체로서 GaN의 잠재력을 완전히 활용하는 것을 방해합니다.

이는 미래의 엔지니어에게 무엇을 의미합니까?

현재 많은 재료가 연구되고 있으며, 또 다른 주요 후보로는 탄화규소(SiC)가 있습니다. 좋다GaN, 실리콘에 비해 더 높은 작동 전압, 더 높은 항복 전압 및 더 나은 전도성을 제공합니다. 또한 열 전도성이 높기 때문에 극한의 온도와 훨씬 작은 크기에서 더 큰 전력을 제어하면서 사용할 수 있습니다.

그러나 달리GaN, SiC는 고주파수에 적합하지 않습니다. 즉, RF 애플리케이션에 사용되지 않을 것입니다. 그러므로,GaN소형 파워 앰프를 만들려는 엔지니어가 여전히 선호하는 선택입니다. P형 문제에 대한 한 가지 해결책은 다음을 결합하는 것입니다.GaNP형 실리콘 MOS 트랜지스터를 사용합니다. 이는 보완적인 기능을 제공하지만 본질적으로 GaN의 주파수와 효율성을 제한합니다.

기술이 발전함에 따라 연구자들은 결국 P형을 발견할 수도 있습니다.GaNGaN과 결합할 수 있는 다양한 기술을 사용하는 장치 또는 보완 장치입니다. 그러나 그날이 오기 전까지는GaN우리 시대의 기술적 한계로 인해 계속해서 제약을 받을 것입니다.

재료 과학, 전기 공학, 물리학을 포함하는 반도체 연구의 학제간 특성은 현재의 한계를 극복하는 데 필요한 공동 노력을 강조합니다.GaN기술. P형 개발의 잠재적인 돌파구GaN또는 적절한 보완 재료를 찾는 것은 GaN 기반 장치의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 더 넓은 반도체 기술 환경에 기여하여 미래에 보다 효율적이고 컴팩트하며 신뢰할 수 있는 전자 시스템을 위한 길을 열 수 있습니다.**

Semicorex에서는 다음과 같은 제품을 제조 및 공급합니다.GaN에피웨이퍼 및 기타 유형의 웨이퍼반도체 제조에 적용되는 내용에 대해 문의사항이 있거나 추가 세부정보가 필요한 경우 언제든지 문의해 주시기 바랍니다.

전화번호: +86-13567891907

이메일: sales@semicorex.com