Semiconduttori al nitruro di gallio

GaNè un semiconduttore composto sotto steroidi! se potessi fare una parte da 10 WattGaAsa una particolare frequenza, probabilmente puoi realizzare una parte da 100 watt su GaN in questo momento.

Il nitruro di gallio è il futuro degli amplificatori di potenza a microonde, GaAs ha superato la sua emivita, puoi citarci su questo. Più costoso in termini di dollari per die, il GaN offre un percorso verso densità di potenza molto più elevate e quindi dollari per Watt più economici.

Su GaN sono possibili tensioni di rottura di 100 Volt, rispetto a 7-20 Volt su prodotti GaAs comparabili. Ora puoi acquistare parti qualificate per il funzionamento fino a 28 volt, ma puoi portarle fino a 48 volt per assistere all'intera esperienza GaN. Cose ausiliarie come condensatori e resistori ad alta tensione e processi di backside sono stati sviluppati in alcune fonderie MMIC, al fine di partecipare a questa nuova tecnologia.

I dispositivi GaN sono in genere transistor ad alta mobilità elettronica, puoi pensarli come una versione elegante di aMESFET. I dispositivi GaN possono essere discreti o monolitici.

È apparsa un'altra applicazione di nicchia del GaN: robusti amplificatori a basso rumore. GaN può fornire LNA con grandi figure di rumore, che possono sopportare livelli di potenza molto più elevati rispetto agli LNA GaAs (forse di un fattore di 20 dB!) Nei sistemi futuri si può seriamente considerare l'eliminazione di un limitatore davanti a un LNA che farà risparmiare denaro, ridurre dimensione del modulo e ridurre ulteriormente la cifra di rumore mediante la perdita della k in modo che gli Stati Uniti mantengano la superiorità tecnologica nei programmi militari per il prossimo decennio o due. Il grande programma DARPA si chiama WBGS-II (per semiconduttori ad ampia banda proibita) e le tre squadre sonoPAM-XIAMEN/Lockheed, Raytheon/Cree e Northrop Grumman. Nessuna ulteriore discussione apparirà qui, i dati sono limitati ITAR!

Tuttavia, per quanto gli Stati Uniti pensino che la tecnologia GaN sarà prominente solo in un paese, si è diffusa in Europa, Asia e persino in Canada. Se stai prendendo in considerazione la tecnologia, assicurati di chiedere ai fornitori dati sull'affidabilità e di esaminarli attentamente.

Substrati in GaN

Perché sono nativinitruro di gallio(GaN) wafer poco pratici? Ricordiamo che l'azoto è un gas a temperatura ambiente, mentre il gallio è un solido... quindi come potrebbero entrambi esistere allo stato liquido ed essere costretti a solidificarsi in un cristallo uniforme?

I substrati per GaN sono carburo di silicio, zaffiro o silicio. È necessaria una costosa alchimia per allineare il cristallo GaN su questi substrati non corrispondenti, utilizzando l'epitassia a fascio molecolare (MBE) o la deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD). Quattro pollici (100 mm)Substrati SiCstanno diventando disponibili per GaN-on-SiC, sono disponibili anche GaN da quattro pollici su wafer di silicio con un percorso di crescita verso sei pollici (150 mm) e oltre. La maggior parte delle linee di lavorazione MMIC è in grado di gestire wafer da 100 mm o 150 mm o entrambi, semplicemente non c'è un mercato che spingerà verso i 200 mm in tempi brevi. I wafer di silicio costano poco ($ 10 per 200 mm di diametro) mentre i wafer di carburo di silicio attualmente costano 100 volte di più per soli 100 mm. Lo zaffiro sembra essere caduto nel dimenticatoio negli ultimi anni.

Carburo di silicioè un ottimo dissipatore di calore, con conducibilità termica simile ai migliori metalli (350 Wm/K intorno alla temperatura ambiente). Il silicio è molto più basso (40 W/mK a temperatura ambiente), quindi non diffonde il calore in modo efficiente e quindi per una data densità di potenza si tradurrà in temperature del canale più elevate.

Se vuoi creare un MMIC invece di un semplice dispositivo discreto, il silicio è in enorme svantaggio perché nella sua forma più popolare conduce, proprio come dovrebbe fare un semiconduttore! Quindi, se dovessi usare un normale silicio a bassa resistività (LRS) e stampare su di esso linee di trasmissione a microstriscia, la perdita delle interconnessioni supererebbe qualsiasi guadagno che potresti ottenere dai transistor, una colossale perdita di tempo! Per creare un MMIC al silicio, è possibile ottenere silicio ad alta resistività (HRS), che viene ingannato fino a diverse centinaia o addirittura diverse migliaia di ohm-cm, il che aggiungerà una perdita misurabile alle linee a T, ma forse è possibile progettare un prodotto utile. HRS è disponibile in diametri fino a sei pollici (150 mm), il che gli conferisce potenzialmente un vantaggio in termini di costi di produzione rispetto al SiC per il momento.

Ci sono altre cattive notizie per gli MMIC GaN su HRS: l'uniformità della resistività del substrato è imperfetta, in genere varia di un ordine di grandezza attraverso il wafer. Ciò alla fine fornirà una variazione di guadagno più ampia su MMIC su GaN su silicio rispetto a GaN su SiC. Inoltre, se non si fa attenzione, la resistività del silicio si ridurrà durante la lavorazione del wafer. E infine, intorno ai 200°C, la proprietà di alta resistività del substrato HRS inizia a degradarsi, quindi proprio quando abbiamo inventato una tecnologia dei semiconduttori in grado di resistere a una temperatura del canale di 200°C, dobbiamo tornare a 175 per evitare gli effetti di conduzione del substrato. Ma ancora una volta, se sei interessato solo a dispositivi discreti, considera l'economia del GaN su silicio.

Temperatura massima del canale

Il GaN può operare fino a una temperatura del canale di 200°C (150°C è il limite tipicamente indicato di GaAs per 1.000.000 di ore di funzionamento). Al di sotto di 2 GHz, aspettati di vedere GaN utilizzato nelle applicazioni della stazione base, in competizione con la tecnologia al carburo di silicio. I prodotti GaN a frequenza più elevata saranno messi in campo dai militari, con più fornitori che segnalano amplificatori di potenza anche a frequenze di onde millimetriche.

Esempi di fonderia:

Cree (GaN su SiC)

Nitronex (GaN su silicio)