GaNの致命的な欠陥

世界が半導体分野における新たな機会を模索する中、窒化ガリウム (GaN)は、将来の電力および RF アプリケーションの潜在的な候補として引き続き注目されています。しかし、GaN はその多くの利点にもかかわらず、P タイプの製品が存在しないという重大な課題に直面しています。なぜですかGaN次の主要な半導体材料として注目されていますが、P 型 GaN デバイスの欠如が重大な欠点であるのはなぜですか?これは将来の設計に何を意味しますか?

なぜですかGaN次の主要な半導体材料として注目されていますか?

エレクトロニクスの分野では、最初の電子デバイスが市場に登場して以来、4 つの事実が続いています。それは、デバイスをできるだけ小さく、できるだけ安く、できるだけ多くの電力を提供し、できるだけ少ない電力を消費する必要があるということです。これらの要件は互いに矛盾することが多いため、4 つの要件をすべて満たす完璧な電子デバイスを作成しようとすることは、まるで白昼夢のように思えます。しかし、それでもエンジニアたちはそれを達成するための努力を止めませんでした。

これら 4 つの基本原則を活用して、エンジニアは一見不可能に見えるさまざまなタスクを達成することに成功しました。コンピュータは部屋ほどの大きさのマシンから米粒よりも小さいチップまで小型化し、スマートフォンは無線通信とインターネット アクセスを可能にし、仮想現実システムはホストから独立して装着して使用できるようになりました。しかし、エンジニアがシリコンなどの一般的に使用される材料の物理的限界に近づくにつれて、デバイスの小型化と消費電力の削減がますます困難になってきています。

したがって、研究者は、そのような一般的な材料に代わる可能性があり、より小型でより効率的なデバイスを提供し続ける可能性のある新しい材料を常に探しています。窒化ガリウム (GaN)は大きな注目を集めている材料の 1 つであり、その理由はシリコンと比較すると明らかです。

何がそうさせるのか窒化ガリウム非常に効率的ですか?

まず、GaN の電気伝導率はシリコンの 1000 倍であり、より高い電流での動作が可能です。これはつまりGaNデバイスは過剰な熱を発生させることなく大幅に高い電力レベルで動作できるため、所定の電力出力に対してデバイスを小型化できます。

GaNはシリコンに比べて熱伝導率がわずかに低いにもかかわらず、その熱管理の利点により、高出力エレクトロニクスにおける新たな道が開かれます。これは、航空宇宙や自動車エレクトロニクスなど、スペースが貴重で冷却ソリューションを最小限に抑える必要があるアプリケーションでは特に重要です。GaN高温でも性能を維持するデバイスの能力は、過酷な環境でのアプリケーションにおけるデバイスの可能性をさらに強調します。

第二に、GaN のバンドギャップが大きい (1.1eV と比較して 3.4eV) ため、絶縁破壊が起こる前に高電圧での使用が可能になります。その結果、GaNより大きな電力を提供するだけでなく、より高い効率を維持しながらより高い電圧で動作することもできます。

高い電子移動度により、GaNより高い周波数で使用されるようになります。この要因により、GaN は、シリコンでは処理が難しい GHz 範囲をはるかに超えて動作する RF 電力アプリケーションに不可欠になります。ただし、熱伝導率の点ではシリコンがわずかに優れています。GaNつまり、GaN デバイスはシリコン デバイスに比べて熱要件が高くなります。結果として、熱伝導率の欠如により小型化の能力が制限されます。GaN熱放散にはより大きな材料が必要となるため、高出力動作用のデバイスに適しています。

致命的な欠陥とは何ですかGaN――P型がいない？

高電力および高周波数で動作できる半導体を備えていることは素晴らしいことです。しかし、GaN にはそのすべての利点にもかかわらず、多くの用途でシリコンに代わる能力を大きく妨げる大きな欠陥が 1 つあります。それは、P 型 GaN デバイスが存在しないことです。

これらの新しく発見された材料の主な目的の 1 つは、効率を大幅に向上させ、より高い電力と電圧をサポートすることです。GaNトランジスタはこれを実現できます。ただし、個々の GaN トランジスタは確かにいくつかの優れた特性を提供できますが、現在市販されているすべての GaN トランジスタはGaNデバイスが N タイプであると、その効率性能に影響します。

この理由を理解するには、NMOS および CMOS ロジックがどのように動作するかを調べる必要があります。 NMOS ロジックは、製造プロセスと設計が単純であるため、1970 年代と 1980 年代に非常に人気のあるテクノロジーでした。 N型MOSトランジスタの電源とドレイン間に接続された単一の抵抗を使用することにより、このトランジスタのゲートはMOSトランジスタのドレイン電圧を制御でき、効果的にNOTゲートを実現します。他の NMOS トランジスタと組み合わせると、AND、OR、XOR、ラッチなどのすべての論理要素を作成できます。

ただし、この技術は単純ですが、電力を供給するために抵抗を使用します。これは、NMOS トランジスタが導通すると、かなりの量の電力が抵抗で浪費されることを意味します。個々のゲートの場合、この電力損失は最小限ですが、小型の 8 ビット CPU にスケールアップすると、この電力損失が蓄積してデバイスが発熱し、単一チップ上のアクティブなコンポーネントの数が制限される可能性があります。

NMOS テクノロジーはどのようにして CMOS に進化しましたか?

一方、CMOS は、逆に相乗的に動作する P 型トランジスタと N 型トランジスタを使用します。 CMOS ロジック ゲートの入力状態に関係なく、ゲートの出力は電源からグランドへの接続を許可しないため、電力損失が大幅に削減されます (N 型が導通すると P 型が絶縁し、その逆も同様です)。実際、CMOS 回路における唯一の実際の電力損失は、相補的なペアを介して電源とグランド間の過渡的な接続が形成される状態遷移中に発生します。

に戻るGaNデバイス、現在は N タイプのデバイスのみが存在するため、利用可能な唯一のテクノロジーです。GaNNMOS は本質的に電力を大量に消費します。これは RF アンプにとっては問題ではありませんが、ロジック回路にとっては大きな欠点です。

世界的なエネルギー消費量が増加し続け、テクノロジーが環境に与える影響が厳しく精査されるにつれ、エレクトロニクスにおけるエネルギー効率の追求がこれまで以上に重要になっています。 NMOS テクノロジーの消費電力制限は、高性能と高いエネルギー効率を実現する半導体材料のブレークスルーの緊急の必要性を浮き彫りにしています。 Pタイプの開発GaNあるいは、代替の補完技術がこの探求における重要なマイルストーンとなり、エネルギー効率の高い電子機器の設計に革命を起こす可能性があります。

興味深いことに、P 型の製造は完全に可能です。GaNこれらは、Blu-ray を含む青色 LED 光源に使用されています。ただし、これらのデバイスはオプトエレクトロニクスの要件には十分ですが、デジタル ロジックや電源アプリケーションには理想的とは程遠いです。たとえば、P 型を製造するための唯一の実用的なドーパントGaNデバイスにはマグネシウムが使用されていますが、高濃度が必要なため、アニーリング中に水素が構造に容易に侵入し、材料の性能に影響を与える可能性があります。

したがって、P タイプが存在しないことになります。GaNデバイスは、エンジニアが半導体としての GaN の可能性を最大限に活用することを妨げます。

これは将来のエンジニアにとって何を意味しますか?

現在、多くの材料が研究されており、もう 1 つの主要な候補は炭化ケイ素 (SiC) です。のようにGaN、シリコンと比較して、動作電圧が高く、降伏電圧が高く、導電率が優れています。さらに、その高い熱伝導率により、より大きな電力を制御しながら、極端な温度での使用と大幅に小さいサイズが可能になります。

ただし、とは異なり、GaN, SiC は高周波には適していないため、RF アプリケーションには使用されそうにありません。したがって、GaN小型パワーアンプの作成を検討しているエンジニアにとっては、依然として好ましい選択肢です。 P タイプの問題に対する 1 つの解決策は、次のことを組み合わせることです。GaNP型シリコンMOSトランジスタを搭載。これは補完的な機能を提供しますが、本質的に GaN の周波数と効率を制限します。

技術が進歩するにつれて、研究者は最終的に P タイプを発見するかもしれませんGaNGaNと組み合わせることができるさまざまな技術を使用したデバイスまたは補完的なデバイス。でも、その日が来るまでは、GaN時代の技術的限界によって制約され続けるでしょう。

材料科学、電気工学、物理学を含む半導体研究の学際的な性質は、現在の限界を克服するために必要な協力的な取り組みを強調しています。GaNテクノロジー。 P タイプ開発におけるブレークスルーの可能性GaNまたは、適切な補完材料を見つけることは、GaN ベースのデバイスの性能を向上させるだけでなく、より広範な半導体技術の展望に貢献し、将来のより効率的でコンパクトで信頼性の高い電子システムへの道を開く可能性があります。**

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