Tutkimus & Kehitys

Elektroniikan maailmassa on käynnissä valtataistelu. Nopeammat ja tehokkaammat galliumnitridipuolijohteet ovat jo syrjäyttäneet perinteiset pii-MOSFETit monissa sovelluksissa. Mutta onko GaN todella valmis valtaamaan valtaistuimen?

Mitä galliumnitridi (GaN) on?

Galliumnitridi on suoran kaistaleveyden omaava puolijohdemateriaali, jota käytetään puolijohdekomponenttien, kuten transistorien ja diodien, valmistukseen. Tämä suorituskykyinen yhdiste tuli ensimmäisen kerran tehoelektroniikan markkinoille 1990-luvulla valodiodien (LED) elintärkeänä komponenttina. GaN:llä on erityisen leveä, 3,2 eV:n kaistanleveys, minkä ansiosta se pystyy käsittelemään erittäin korkeita jännitteitä ja toimimaan korkeissa lämpötiloissa.

Sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa optoelektroniikkalaitteista korkeataajuiseen radioviestintään, ja tälle tehokkaalle ja erittäin suorituskykyiselle puolijohdemateriaalille keksitään jatkuvasti uusia käyttökohteita.

Nykyisiä GaN-sovelluksia ovat mm:

• Laserit ja fotoniikkasovellukset, kuten valoa säteilevät diodit (LEDit)

• Aurinkokennot aurinkosähköjärjestelmissä

• Säteilyä-säteilynkestävät transistorit satelliitteja varten

• Radiotaajuuskomponentit, kuten RF-tehovahvistimet

• Langaton tehonsiirto, e.esim. langattomat laturit puhelimiin, kannettaviin tietokoneisiin, pelikonsolien ohjaimiin, sydänpumppuihin ja muihin lääketieteellisiin sovelluksiin

• DDC-DC-muuntimet tietoliikennesovelluksiin, esim. palvelinfarmeihin ja keskitettyihin tietoliikennekeskuksiin

• LiDar (valonhavaitsemis- ja etäisyysmittauskomponentit), esim. autonomisten autojen laitteet, jotka mittaavat etäisyyksiä lasereiden avulla

• Kuvantaminen ja tunnistaminen, esim. tehovahvistimet mikroaalto- ja terahertsilaitteisiin (ThZ)

GaN vs. pii

Ennen GaN:n kukoistusta pii oli pitkään ollut laajimmin käytetty materiaali puolijohteiden valmistuksessa. Piistä valmistetun MOSFET:n (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) keksiminen mullisti tietojenkäsittelyn ja tasoitti tietä digitaaliajalle. Nyt, vuosikymmeniä kestäneen hallitsevan aseman jälkeen, näyttää siltä, että pii on ehkä saavuttanut huippunsa. Galliumnitridiasiantuntijoiden GaN Systemsin mukaan ”olemme saavuttamassa teoreettisen rajan sille, kuinka paljon pii-MOSFET:iä voidaan parantaa ja kuinka energiatehokkaita ne voivat olla.”

Kahden puolijohteen ominaisuuksien ja kykyjen tarkastelu viittaa siihen, että suorituskykyinen uusi tulokas syrjäyttää lopulta piin. GaN:ää ja piitä verrattaessa kaistaleveys on hyvä lähtökohta. GaN:n kaistaläpimitta on 3,4 eV, kun taas piin arvo on vain 1,12 eV. Tämä tarkoittaa, että GaN-puolijohteet kestävät suurempia jännitteitä ja kestävät korkeampia lämpötiloja kuin pii-MOSFETit. Virta voi kulkea GaN-puolijohteiden läpi nopeammin, mikä takaa suuremman hyötysuhteen ja pienemmät kytkentähäviöt, kun niitä käytetään kovakytkentäsovelluksissa. Niiden kapasitanssi on pienempi kuin pii-MOSFETien, mikä tarkoittaa, että laitteita ladattaessa ja purettaessa menetetään vähemmän virtaa. GaN-puolijohteet vievät myös vähemmän tilaa piirilevyillä, mikä mahdollistaa yhä pienempien elektroniikkalaitteiden valmistamisen.

Kustannukset ovat toinen keskeinen tekijä. Galliumnitridikiteitä on mahdollista kasvattaa piin päälle, joten niitä voidaan valmistaa olemassa olevissa piitä valmistavissa laitoksissa, eivätkä ne vaadi kalliita erikoistuneita tuotantolaitoksia. Vaikka galliumnitridikiteet ovat tällä hetkellä vielä kalliimpia valmistaa kuin pii, GaN-puolijohteet alentavat järjestelmän kokonaistuotantokustannuksia pienentämällä muiden komponenttien kokoa ja kustannuksia.

GaN-puolijohteiden ylivoimaisen nopeuden ja tehokkuuden ansiosta ne soveltuvat paremmin myös ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi vaadittavien ympäristön pilaantumista koskevien säännösten noudattamiseen.

Onko olemassa mitään, mitä GaN ei voi tehdä?

Puolijohdekomponentteihin liittyen GaN näyttäisi täyttävän kaikki vaatimukset. Huolimatta sen laajasta käytöstä eri teollisuudenaloilla on kuitenkin vielä useita sovelluksia, joita se ei vielä hallitse.

Vaikka GaN-puolijohdekomponentit ovat tulleet välttämättömiksi esimerkiksi optoelektroniikka- ja suurtaajuussovelluksissa, GaN-transistorit eivät ole vielä yhtä monipuolisia kuin pii-MOSFETit. Ongelmana on se, että useimmat GaN-transistorit ovat depletion-mode- eli ”normaalisti päällä” -transistoreja. Power Electronics -lehden mukaan ”depletion-mode-transistorit ovat hankalia, koska tehomuuntimen käynnistyksen yhteydessä teholaitteisiin on ensin kytkettävä negatiivinen bias tai seurauksena on oikosulku”. Lisäksi elektronisissa piireissä tarvitaan tyypillisesti sekä depletion-mode- että enhancement-mode-transistoreita. Tähän ongelmaan on kuitenkin jo kehitetty kiertoteitä, ja on varmasti vain ajan kysymys, milloin GaN-puolijohteita ilmestyy yhä useampiin tuotteisiin ja teollisuudenaloille.