Wat is galliumnitride (GaN)?

Galliumnitride is een halfgeleidermateriaal met directe bandgap dat wordt gebruikt om halfgeleiderelementen zoals transistors en diodes te vervaardigen. Deze krachtige verbinding kwam voor het eerst op de markt voor vermogenselektronica in de jaren 1990 als een essentiële component in lichtemitterende diodes (LED’s). GaN heeft een bijzonder brede bandgap van 3,2 eV, waardoor het zeer hoge spanningen aankan en bij hoge temperaturen kan werken.

Het kan worden gebruikt voor een breed scala van toepassingen – van opto-elektronische apparaten tot hoogfrequente radiocommunicatie – en er worden voortdurend nieuwe toepassingen gevonden voor dit efficiënte, zeer krachtige halfgeleidermateriaal.

De huidige GaN-toepassingen omvatten:

• Lasers en fotonicatoepassingen zoals lichtemitterende diodes (LED’s)

• Zonnecellen voor fotovoltaïsche systemen

• Stralingsbestendige transistors voor satellieten

• Radiation-geharde transistors voor satellieten

• Radiofrequentiecomponenten zoals RF-vermogensversterkers

• Draadloze elektriciteitstransmissie, e.b.v. draadloze opladers voor telefoons, laptops, spelconsolecontrollers, hartpompen en andere medische toepassingen

• DC-DC-omzetters voor datacomtoepassingen, b.v. server farms en gecentraliseerde telecommunicatiecentra

• LiDar (light detection and ranging), b.v. apparaten in autonome auto’s die afstanden meten met behulp van lasers

• Imaging en sensing, bv. vermogensversterkers voor microgolf- en terahertz (ThZ)-apparaten

GaN vs. silicium

Voordat GaN opgang maakte, was silicium lange tijd het meest gebruikte materiaal voor de fabricage van halfgeleiders. De uitvinding van de silicium MOSFET (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) zorgde voor een revolutie in de computertechniek en effende de weg voor het digitale tijdperk. Nu, na tientallen jaren van dominantie, lijkt het erop dat silicium misschien zijn hoogtepunt heeft bereikt. Volgens galliumnitride-experts GaN Systems “bereiken we de theoretische grens van hoe ver silicium MOSFET’s kunnen worden verbeterd, hoe energie-efficiënt ze kunnen zijn”.

Een blik op de eigenschappen en mogelijkheden van de twee halfgeleiders doet vermoeden dat de krachtige nieuwkomer silicium uiteindelijk zal verdringen. Bij het vergelijken van GaN en silicium is de bandkloof een goede plaats om te beginnen. De bandkloof van GaN is 3,4 eV, terwijl silicium een waarde heeft van slechts 1,12 eV. Dit betekent dat GaN-halfgeleiders hogere spanningen kunnen verdragen en hogere temperaturen kunnen overleven dan silicium MOSFET’s. De stroom kan sneller door GaN-halfgeleiders lopen, wat zorgt voor een grotere efficiëntie en minder schakelverliezen wanneer ze worden gebruikt in hardwitching toepassingen. Ze hebben minder capaciteit dan silicium MOSFET’s, wat betekent dat er minder stroom verloren gaat wanneer de toestellen worden opgeladen en ontladen. GaN-halfgeleiders nemen ook minder plaats in op printplaten, waardoor het mogelijk wordt steeds kleinere elektronische apparaten te fabriceren.

De kosten zijn een andere sleutelfactor. Het is mogelijk galliumnitride-kristallen bovenop silicium te laten groeien, zodat ze kunnen worden geproduceerd in bestaande siliciumproductiefaciliteiten en geen kostbare gespecialiseerde productielocaties vereisen. Hoewel de productie van galliumnitride kristallen momenteel nog duurder is dan die van silicium, verlagen GaN halfgeleiders de totale productiekosten van een systeem door de omvang en de kosten van andere componenten te verminderen.

De superieure snelheid en efficiëntie van GaN halfgeleiders maken hen ook beter geschikt om te voldoen aan de regelgeving inzake milieuverontreiniging die nodig is om de klimaatverandering te beperken.

Is er iets dat GaN niet kan?

Voor zover het halfgeleiders betreft, lijkt GaN alle vakjes aan te vinken. Maar ondanks het wijdverbreide gebruik in een verscheidenheid van industrieën, zijn er nog steeds verschillende toepassingen die het nog moet beheersen.

Terwijl GaN-halfgeleiders onmisbaar zijn geworden voor opto-elektronische en hoogfrequente toepassingen, bijvoorbeeld, zijn GaN-transistoren nog niet zo veelzijdig als silicium MOSFET’s. Het probleem ligt in het feit dat de meeste GaN-transistoren depletion-mode of “normally-on”-transistoren zijn. Volgens het tijdschrift Power Electronics zijn “depletion-mode-transistoren onhandig omdat bij het opstarten van een vermogensomzetter eerst een negatieve bias moet worden aangelegd op de vermogenscomponenten, anders ontstaat er kortsluiting”. Ook is het zo dat elektronische schakelingen gewoonlijk zowel depletion-mode als enhancement-mode transistoren vereisen. Er zijn echter al omwegen voor dit probleem ontwikkeld en het is zeker slechts een kwestie van tijd voordat GaN-halfgeleiders in nog meer producten en industrieën zullen opduiken.