Полупроводники из нитрида галлия

GaN is a compound semiconductor on steroids! if you could make a 10 Watt part on GaAs at a particular frequency, you can probably make a 100 watt part on GaN right now.

Gallium nitride is the future of microwave power amps, GaAs has exceeded its half-life, you can quote us on that. More expensive in terms of dollars per die, GaN offers a path to much higher power densities and therefore cheaper dollars per Watt.

Breakdown voltages of 100 Volts are possible on GaN, versus 7-20 volts on comparable GaAs products. Now you can buy parts that are qualified up to 28 volts operation but you can goose them up to 48 volts to witness the full GaN Experience. Ancillary stuff like higher-voltage capacitors and resistors, and backside processes have been developed at some MMIC foundries, in order to participate in this new technology.

GaN devices are typically high-electron mobility transistors, you can think of it as a fancy version of a MESFET. GaN devices can either be discrete or monolithic.

Another niche application of GaN has appeared: robust low noise amplifiers. GaN can provide LNAs with great noise figures, which can withstand much higher power levels than GaAs LNAs (perhaps by a factor of 20 dB!) In future systems you can seriously consider eliminating a limiter in front of an LNA which will save money, reduce module size and further reduce noise figure by the loss of the k so that the US will maintain technological superiority in military programs for the next decade or two. The big DARPA program is called WBGS-II (for wide bandgap semiconductor), and the three teams are PAM-СЯМЫНЬ/Lockheed, Raytheon/Cree and Northrop Grumman. No further discussion will appear here, the data is ITAR restricted!

Однако, несмотря на то, что США считают, что технология GaN будет широко распространена только в одной стране, она распространилась на Европу, Азию и даже Канаду. Если вы рассматриваете эту технологию, обязательно спросите у поставщиков данные о надежности и внимательно изучите их.

Материалы подложки GaN

Почему родныенитрид галлия(GaN) пластины непрактичны? Вспомним, что азот — это газ при комнатной температуре, а галлий — твердое тело… так как же они оба могут существовать в жидком состоянии и вынуждены затвердевать в однородный кристалл?

Подложки для GaN представляют собой карбид кремния, сапфир или кремний. Для выравнивания кристалла GaN на этих несоответствующих подложках требуется дорогостоящая алхимия с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) или химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Четырехдюймовый (100 мм)подложки SiCтолько становятся доступными для GaN-на-SiC, четыре дюйма GaN на кремниевых пластинах также доступны с траекторией роста до шести дюймов (150 мм) и больше. Большинство технологических линий MMIC могут работать с пластинами диаметром 100 или 150 мм или с обоими, просто нет рынка, который в ближайшее время приблизится к 200 мм. Кремниевые пластины очень дешевы (10 долларов за диаметр 200 мм), в то время как пластины из карбида кремния в настоящее время стоят в 100 раз дороже всего за 100 мм. Сапфир, кажется, отошел на второй план за последние несколько лет.

Карбид кремнияявляется отличным теплоотводом с теплопроводностью, близкой к лучшим металлам (350 Вт·м/К при комнатной температуре). Кремний намного ниже (40 Вт / мК при комнатной температуре), поэтому он не распределяет тепло так эффективно, и, следовательно, для данной плотности мощности приведет к более высокой температуре канала.

Если вы хотите создать MMIC, а не просто дискретное устройство, кремний находится в огромном невыгодном положении, потому что в своей наиболее популярной форме он проводит так же, как и полупроводник! Таким образом, если бы вы использовали обычный кремний с низким удельным сопротивлением (LRS) и напечатали на нем микрополосковые линии передачи, потери межсоединений превзошли бы любой выигрыш, который вы получили бы от транзисторов, а это колоссальная трата времени! Для создания кремниевой МИС можно получить высокоомный кремний (ВКР), который накрутят до нескольких сотен или даже нескольких тысяч Ом·см, что добавит измеримые потери в Т-линии, но, может быть, можно спроектировать полезный продукт. HRS доступен в диаметрах до шести дюймов (150 мм), что на данный момент потенциально дает ему преимущество в производственных затратах по сравнению с SiC.

There’s more bad news for GaN MMICs on HRS: the uniformity of the substrate’s resistivity is imperfect, typically varying by an order of magnitude across the wafer. This will ultimately provide a wider gain variation on MMICs on GaN on silicon than GaN on SiC. Also, if you don’t watch out, the resistivity of the silicon will be reduced during wafer processing. And finally, around 200C, the high-resistivity property of the HRS substrate starts to degrade, so just when we have invented a semiconductor technology that can withstand 200C channel temperature, we have to back off to 175 to stay away from substrate conduction effects. But again, if you are only interested in discrete devices, consider the economy of GaN on silicon.

Maximum channel temperature

GaN can operate up 200C channel temperature (150C is the typically quoted limit of GaAs for 1,000,000 hours operation). Below 2 GHz, expect to see GaN used in base station applications, competing with silicon carbide technology. Higher frequency GaN products will be fielded by the military, with multiple suppliers reporting power amplifiers even up at millimeterwave frequencies.

Foundry examples:

 Cree(GaN on SiC)

Nitronex (GaN on silicon)