Forskning &Udvikling

En magtkamp er i gang i elektronikkens verden. Hurtigere og mere effektive galliumnitrid-halvledere har allerede taget de traditionelle silicium-MOSFET’er til sig i en lang række applikationer. Men er GaN virkelig klar til at overtage tronen?

Hvad er galliumnitrid (GaN)?

Galliumnitrid er et halvledermateriale med direkte båndgab, der anvendes til fremstilling af halvlederkomponenter som f.eks. transistorer og dioder. Denne højtydende forbindelse kom først på markedet for effektelektronik i 1990’erne som en vigtig komponent i lysemitterende dioder (LED’er). GaN har et særligt bredt båndgab på 3,2 eV, hvilket gør det i stand til at håndtere meget høje spændinger og fungere ved høje temperaturer.

Det kan anvendes til en lang række applikationer – fra optoelektroniske enheder til højfrekvent radiokommunikation – og der findes hele tiden nye anvendelsesmuligheder for dette effektive og meget kraftige halvledermateriale.

De aktuelle GaN-anvendelser omfatter bl.a:

• Lasere og fotoniske anvendelser såsom lysemitterende dioder (LED’er)

• Solceller til solcelleanlæg

• Stråle-hærdede transistorer til satellitter

• Radiofrekvenskomponenter som f.eks. RF-effektforstærkere

• Trådløs energioverførsel, e.f.eks. trådløse opladere til telefoner, bærbare computere, spilkonsolcontrollere, hjertepumper og andre medicinske anvendelser

• DC-DC-konvertere til datacom-applikationer, f.eks. serverfarme og centraliserede telekommunikationscentre

• LiDar (light detection and ranging), f.eks. enheder i selvkørende biler, der måler afstande ved hjælp af lasere

• Billeddannelse og aftastning, f.eks. effektforstærkere til mikrobølge- og terahertz (ThZ)-enheder

GaN vs. silicium

Hvor GaN tog fart, havde silicium længe været det mest udbredte materiale til fremstilling af halvledere. Opfindelsen af silicium-MOSFET’en (metal-oxid-silicium-fieldeffekttransistor) revolutionerede databehandling og banede vejen for den digitale tidsalder. Nu, efter årtiers dominans, ser det ud til, at silicium måske har nået sit højdepunkt. Ifølge galliumnitrideksperterne GaN Systems “er vi ved at nå den teoretiske grænse for, hvor meget silicium-MOSFET’er kan forbedres, hvor strømeffektive de kan være”.

Et kig på de to halvlederes egenskaber og muligheder tyder på, at den højtydende nytilkomne på et tidspunkt vil afløse silicium. Når man sammenligner GaN og silicium, er båndgabet et godt sted at starte. GaN’s bandgap er på 3,4 eV, mens silicium har en værdi på blot 1,12 eV. Det betyder, at GaN-halvledere kan holde til højere spændinger og overleve højere temperaturer end MOSFET’er af silicium. Strømmen kan bevæge sig hurtigere gennem GaN-halvledere, hvilket sikrer større effektivitet og færre koblingstab, når de anvendes i hardswitching-applikationer. De har mindre kapacitans end silicium-MOSFET’er, hvilket betyder, at der går mindre strøm tabt, når enhederne oplades og aflades. GaN-halvledere optager også mindre plads på printplader, hvilket gør det muligt at fremstille stadig mindre elektroniske apparater.

Kost er en anden vigtig faktor. Det er muligt at dyrke galliumnitridkrystaller oven på silicium, så de kan produceres i eksisterende siliciumproduktionsanlæg og ikke kræver dyre specialiserede produktionssteder. Selv om galliumnitridkrystaller på nuværende tidspunkt stadig er dyrere at producere end silicium, sænker GaN-halvledere et systems samlede produktionsomkostninger ved at reducere størrelsen og omkostningerne ved andre komponenter.

GaN-halvlederes overlegne hastighed og effektivitet gør dem også bedre egnede til at opfylde de bestemmelser om miljøforurening, der kræves for at afbøde klimaændringerne.

Er der noget GaN ikke kan?

Med hensyn til halvlederkomponenter synes GaN at være et godt bud på alle muligheder. Men på trods af den udbredte anvendelse i en række forskellige industrier er der stadig adskillige anvendelser, som det endnu ikke er blevet mestret.

Mens GaN-halvlederkomponenter er blevet uundværlige til f.eks. optoelektroniske og højfrekvente anvendelser, er GaN-transistorer endnu ikke så alsidige som MOSFET’er af silicium. Problemet ligger i det faktum, at de fleste GaN-transistorer er depletion-mode- eller “normally-on”-transistorer. Ifølge Power Electronics Magazine er “depletion-mode-transistorer uhensigtsmæssige, fordi der ved opstart af en strømomformer først skal påføres en negativ bias på strømforsyningsenhederne, ellers opstår der en kortslutning”. Der er også det faktum, at elektroniske kredsløb typisk kræver både depletion-mode- og enhancement-mode-transistorer. Der er dog allerede blevet udviklet løsninger på dette problem, og det er sikkert kun et spørgsmål om tid, før GaN-halvledere vil dukke op i endnu flere produkter og industrier.