Galliumnitrid-Halbleiter

GaNist ein Verbindungshalbleiter auf Steroiden! Wenn Sie ein 10-Watt-Teil herstellen könntenGaAsBei einer bestimmten Frequenz können Sie derzeit wahrscheinlich ein 100-Watt-Teil auf GaN herstellen.

Galliumnitrid ist die Zukunft der Mikrowellen-Leistungsverstärker, GaAs hat seine Halbwertszeit überschritten, Sie können uns dazu zitieren. Gemessen am Preis pro Chip ist GaN teurer und bietet einen Weg zu viel höheren Leistungsdichten und damit günstigerem Preis pro Watt.

Bei GaN sind Durchbruchspannungen von 100 Volt möglich, gegenüber 7–20 Volt bei vergleichbaren GaAs-Produkten. Jetzt können Sie Teile kaufen, die für den Betrieb bei bis zu 28 Volt geeignet sind, Sie können sie aber auch auf bis zu 48 Volt hochfahren, um das volle GaN-Erlebnis zu erleben. Um an dieser neuen Technologie teilzuhaben, wurden in einigen MMIC-Gießereien Zusatzgeräte wie Kondensatoren und Widerstände für höhere Spannungen sowie Rückseitenprozesse entwickelt.

Bei GaN-Geräten handelt es sich in der Regel um Transistoren mit hoher Elektronenmobilität. Sie können es sich als eine schicke Version eines solchen vorstellenMESFET. GaN-Geräte können entweder diskret oder monolithisch sein.

Eine weitere Nischenanwendung von GaN ist aufgetaucht: robuste rauscharme Verstärker. GaN kann LNAs mit großartigen Rauschwerten bereitstellen, die viel höheren Leistungspegeln als GaAs-LNAs standhalten können (vielleicht um den Faktor 20 dB!). In zukünftigen Systemen können Sie ernsthaft darüber nachdenken, einen Begrenzer vor einem LNA zu eliminieren, was Geld spart und reduziert Modulgröße und eine weitere Reduzierung der Rauschzahl durch den Verlust des k, so dass die USA in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten ihre technologische Überlegenheit bei Militärprogrammen behalten werden. Das große DARPA-Programm heißt WBGS-II (für Wide Bandgap Semiconductor), und die drei Teams sind esPAM-XIAMEN/Lockheed, Raytheon/Cree und Northrop Grumman. Hier erfolgt keine weitere Diskussion, die Daten sind ITAR-geschützt!

Doch obwohl die USA davon ausgehen, dass die GaN-Technologie nur in einem Land eine herausragende Rolle spielen wird, hat sie sich doch auf Europa, Asien und sogar Kanada ausgeweitet. Wenn Sie die Technologie in Betracht ziehen, fragen Sie unbedingt die Lieferanten nach Zuverlässigkeitsdaten und prüfen Sie diese sorgfältig.

GaN-Substratmaterialien

Warum sind Einheimische?Galliumnitrid(GaN)-Wafer unpraktisch? Denken Sie daran, dass Stickstoff bei Raumtemperatur ein Gas ist, während Gallium ein Feststoff ist. Wie könnten also beide im flüssigen Zustand existieren und gezwungen werden, sich zu einem einheitlichen Kristall zu verfestigen?

Substrate für GaN sind entweder Siliziumkarbid, Saphir oder Silizium. Um den GaN-Kristall mithilfe von Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf diesen nicht übereinstimmenden Substraten auszurichten, ist eine teure Alchemie erforderlich. Vier Zoll (100 mm)SiC-SubstrateWährend gerade erst GaN-auf-SiC-Wafer verfügbar sind, sind auch 4-Zoll-GaN-auf-Silizium-Wafer mit einem Wachstumspfad in Richtung 6 Zoll (150 mm) und größer erhältlich. Die meisten MMIC-Verarbeitungslinien können entweder 100-mm- oder 150-mm-Wafer oder beides verarbeiten. Es gibt jedoch keinen Markt, der sich in absehbarer Zeit in Richtung 200-mm-Wafer bewegen wird. Siliziumwafer sind spottbillig (10 US-Dollar für 200 mm Durchmesser), während Siliziumkarbidwafer derzeit für nur 100 mm 100-mal mehr kosten. Saphir scheint in den letzten Jahren auf der Strecke geblieben zu sein.

Siliziumkarbidist ein ausgezeichneter Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit, die der der besten Metalle ähnelt (350 Wm/K bei Raumtemperatur). Silizium ist viel niedriger (40 W/mK bei Raumtemperatur), daher verteilt es die Wärme nicht so effizient und führt daher bei einer gegebenen Leistungsdichte zu höheren Kanaltemperaturen.

Wenn Sie einen MMIC anstelle nur eines diskreten Bauelements erstellen möchten, ist Silizium im Nachteil, da es in seiner beliebtesten Form genauso leitet, wie es ein Halbleiter tun sollte! Wenn Sie also gewöhnliches Silizium mit niedrigem Widerstand (LRS) verwenden und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen darauf drucken würden, würde der Verlust der Verbindungen den Gewinn, den Sie durch die Transistoren erzielen würden, übersteigen – eine kolossale Zeitverschwendung! Um einen Silizium-MMIC zu erstellen, können Sie hochohmiges Silizium (HRS) erhalten, das auf mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Ohm-cm erhöht wird, was zu messbaren Verlusten in den T-Leitungen führt, aber vielleicht können Sie es entwerfen ein nützliches Produkt. HRS ist in Durchmessern bis zu 150 mm (6 Zoll) erhältlich, was ihm vorerst möglicherweise einen Produktionskostenvorteil gegenüber SiC verschafft.

Es gibt noch weitere schlechte Nachrichten für GaN-MMICs auf HRS: Die Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands des Substrats ist unvollständig und variiert typischerweise um eine Größenordnung über den Wafer. Dies wird letztendlich zu einer größeren Verstärkungsvariation bei MMICs auf GaN auf Silizium führen als bei GaN auf SiC. Wenn Sie nicht aufpassen, verringert sich außerdem der spezifische Widerstand des Siliziums während der Waferverarbeitung. Und schließlich beginnt sich bei etwa 200 °C die hohe Widerstandseigenschaft des HRS-Substrats zu verschlechtern. Wenn wir also gerade eine Halbleitertechnologie erfunden haben, die einer Kanaltemperatur von 200 °C standhält, müssen wir uns auf 175 °C zurückziehen, um Substratleitungseffekte zu vermeiden. Wenn Sie jedoch nur an diskreten Geräten interessiert sind, sollten Sie die Wirtschaftlichkeit von GaN auf Silizium berücksichtigen.

Maximale Kanaltemperatur

GaN kann bis zu einer Kanaltemperatur von 200 °C betrieben werden (150 °C ist die üblicherweise angegebene Grenze von GaAs für 1.000.000 Betriebsstunden). Unterhalb von 2 GHz ist damit zu rechnen, dass GaN in Basisstationsanwendungen eingesetzt wird und mit der Siliziumkarbid-Technologie konkurriert. Das Militär wird GaN-Produkte mit höherer Frequenz einsetzen, wobei mehrere Anbieter von Leistungsverstärkern sogar im Millimeterwellenbereich berichten.

Beispiele für Gießereien:

Cree (GaN auf SiC)

Nitronex (GaN auf Silizium)