Forskning & Utveckling

En maktkamp pågår i elektronikvärlden. Snabbare och effektivare halvledare av galliumnitrid har redan tagit över de traditionella kisel-MOSFET:erna i en rad olika tillämpningar. Men är GaN verkligen redo att ta över tronen?

Vad är galliumnitrid (GaN)?

Galliumnitrid är ett halvledarmaterial med direkt bandgap som används för att tillverka halvledarelement som transistorer och dioder. Denna högpresterande förening kom först på marknaden för kraftelektronik på 1990-talet som en viktig komponent i lysdioder (LED). GaN har ett särskilt brett bandgap på 3,2 eV, vilket gör att det kan hantera mycket höga spänningar och fungera vid höga temperaturer.

Det kan användas för ett brett spektrum av tillämpningar – från optoelektroniska apparater till högfrekventa radiokommunikationer – och nya användningsområden hittas hela tiden för detta effektiva och mycket kraftfulla halvledarmaterial.

Aktuella GaN-tillämpningar är bland annat:

• Lasers och fotoniktillämpningar såsom lysdioder (LED)

• Solceller för solcellssystem

• Strålning-transistorer för satelliter

• Radiofrekvenskomponenter, t.ex. RF-effektförstärkare

• Trådlös kraftöverföring, e.trådlösa laddare för telefoner, bärbara datorer, spelkonsolkontroller, hjärtpumpar och andra medicinska tillämpningar

• DC-DC-omvandlare för datakommunikationstillämpningar, t.ex. serverfarmar och centraliserade telekommunikationscentraler

• LiDar (light detection and ranging), t.ex. enheter i självkörande bilar som mäter avstånd med hjälp av laser

• Avbildning och avkänning, t.ex. effektförstärkare för mikrovågsutrustning och terahertzutrustning

GaN vs. kisel

Innan GaN tog fart hade kisel länge varit det mest använda materialet för tillverkning av halvledare. Uppfinningen av kisel-MOSFET (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) revolutionerade databehandling och banade väg för den digitala tidsåldern. Nu, efter årtionden av dominans, verkar det som om kisel kan ha nått sin höjdpunkt. Enligt galliumnitridexperterna GaN Systems ”når vi den teoretiska gränsen för hur mycket kisel-MOSFET:erna kan förbättras, hur energieffektiva de kan vara”.

En titt på de två halvledarnas egenskaper och kapacitet tyder på att den högpresterande nykomlingen så småningom kommer att ersätta kisel. När man jämför GaN och kisel är bandgapet en bra utgångspunkt. GaN:s bandgap är 3,4 eV, medan kisel har ett värde på endast 1,12 eV. Detta innebär att GaN-halvledare kan hålla högre spänningar och överleva högre temperaturer än MOSFET:er av kisel. Strömmen kan röra sig snabbare genom GaN-halvledare, vilket ger högre effektivitet och färre kopplingsförluster när de används i tillämpningar med hårdkoppling. De har mindre kapacitans än kisel-MOSFETs, vilket innebär att mindre ström går förlorad när enheterna laddas och urladdas. GaN-halvledare tar också mindre plats på kretskort, vilket gör det möjligt att tillverka allt mindre elektroniska apparater.

Kostnaden är en annan viktig faktor. Det är möjligt att odla galliumnitridkristaller ovanpå kisel, så att de kan tillverkas i befintliga kiseltillverkningsanläggningar och inte kräver kostsamma specialiserade produktionsanläggningar. Även om galliumnitridkristaller för närvarande fortfarande är dyrare att producera än kisel, sänker GaN-halvledare ett systems totala produktionskostnader genom att minska storleken och kostnaden för andra komponenter.

GaN-halvledarnas överlägsna snabbhet och effektivitet gör dem också bättre lämpade för att uppfylla de bestämmelser om miljöföroreningar som krävs för att mildra klimatförändringarna.

Är det något som GaN inte kan göra?

Såvitt det gäller halvledarkomponenter tycks GaN kryssa i alla rutor. Men trots dess utbredda användning inom en rad olika branscher finns det fortfarande flera tillämpningar som den ännu inte behärskar.

Men även om GaN-halvledarenheter har blivit oumbärliga för till exempel optoelektroniska tillämpningar och högfrekvenstillämpningar, är GaN-transistorer ännu inte lika mångsidiga som MOSFET:er i kisel. Problemet ligger i det faktum att de flesta GaN-transistorer är depletion-mode eller ”normalt på”-transistorer. Enligt tidskriften Power Electronics Magazine är transistorer i uttömmande läge obekväma, eftersom det vid start av en kraftomvandlare först måste tillföras en negativ förspänning till kraftkomponenterna, annars uppstår en kortslutning. Det finns också det faktum att elektroniska kretsar vanligtvis kräver både depletion- och enhancement-mode transistorer. Det har dock redan utvecklats lösningar på detta problem och det är säkert bara en tidsfråga innan GaN-halvledare kommer att dyka upp i ännu fler produkter och branscher.