Chất bán dẫn gali nitrit

GaNlà một chất bán dẫn phức hợp trên steroid! nếu bạn có thể tạo một bộ phận có công suất 10 WattGaAsở một tần số cụ thể, bạn có thể tạo ra một bộ phận 100 watt trên GaN ngay bây giờ.

Gallium nitride là tương lai của bộ khuếch đại công suất vi sóng, GaAs đã vượt quá chu kỳ bán rã của nó, bạn có thể báo cho chúng tôi về điều đó. Đắt hơn về mặt đô la trên mỗi khuôn, GaN đưa ra con đường dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn nhiều và do đó đô la trên mỗi Watt rẻ hơn.

Điện áp đánh thủng có thể đạt 100 Volt trên GaN, so với 7-20 volt trên các sản phẩm GaAs tương đương. Giờ đây, bạn có thể mua các bộ phận đủ tiêu chuẩn hoạt động lên đến 28 volt nhưng bạn có thể nâng chúng lên đến 48 volt để chứng kiến ​​Trải nghiệm GaN đầy đủ. Những thứ phụ trợ như tụ điện và điện trở có điện áp cao hơn cũng như các quy trình phụ đã được phát triển tại một số xưởng đúc MMIC để tham gia vào công nghệ mới này.

Các thiết bị GaN thường là các bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao, bạn có thể coi nó như một phiên bản lạ mắt của mộtMESFET. Các thiết bị GaN có thể rời rạc hoặc nguyên khối.

Một ứng dụng thích hợp khác của GaN đã xuất hiện: bộ khuếch đại nhiễu thấp mạnh mẽ. GaN có thể cung cấp cho LNA số liệu tiếng ồn lớn, có thể chịu được mức công suất cao hơn nhiều so với GaAs LNA (có thể bằng hệ số 20 dB!) Trong các hệ thống trong tương lai, bạn có thể nghiêm túc xem xét loại bỏ bộ giới hạn trước LNA, điều này sẽ tiết kiệm tiền, giảm bớt kích thước mô-đun và giảm hơn nữa hệ số nhiễu bằng cách mất k để Hoa Kỳ duy trì ưu thế công nghệ trong các chương trình quân sự trong một hoặc hai thập kỷ tới. Chương trình DARPA lớn được gọi là WBGS-II (dành cho chất bán dẫn có dải tần rộng) và ba nhóm đangPAM-Hạ Môn/Lockheed, Raytheon/Cree và Northrop Grumman. Sẽ không có cuộc thảo luận nào nữa xuất hiện ở đây, dữ liệu bị hạn chế ITAR!

Tuy nhiên, dù Mỹ cho rằng công nghệ GaN sẽ chỉ nổi bật ở một quốc gia, nhưng nó đã lan sang Châu Âu, Châu Á và thậm chí cả Canada. Nếu bạn đang xem xét công nghệ, hãy nhớ hỏi nhà cung cấp dữ liệu về độ tin cậy và xem xét kỹ lưỡng.

Vật liệu nền GaN

Tại sao là người bản địagali nitrit(GaN) tấm bán dẫn không thực tế? Hãy nhớ lại rằng nitơ là chất khí ở nhiệt độ phòng, trong khi gali là chất rắn… vậy làm thế nào cả hai có thể tồn tại ở trạng thái lỏng và buộc phải đông đặc thành một tinh thể đồng nhất?

Chất nền cho GaN là silicon cacbua, sapphire hoặc silicon. Cần phải có phương pháp giả kim đắt tiền để sắp xếp tinh thể GaN lên các chất nền không khớp này, sử dụng phương pháp epit Wax chùm tia phân tử (MBE) hoặc lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD). Bốn inch (100mm)Chất nền SiCvừa mới có sẵn cho GaN-on-SiC, GaN bốn inch trên tấm silicon cũng có sẵn với lộ trình phát triển lên tới sáu inch (150mm) và lớn hơn. Hầu hết các dây chuyền xử lý MMIC đều có thể xử lý các tấm wafer 100 mm hoặc 150 mm hoặc cả hai, không có thị trường nào sẽ sớm hướng tới 200 mm. Tấm silicon có giá rất rẻ ($10 cho đường kính 200mm) trong khi tấm silicon cacbua hiện có giá cao hơn 100 lần chỉ cho 100mm. Sapphire dường như đã tụt dốc trong vài năm qua.

cacbua siliclà một bộ tản nhiệt tuyệt vời, có độ dẫn nhiệt tương tự như các kim loại tốt nhất (350 Wm/K ở nhiệt độ phòng). Silicon thấp hơn nhiều (40 W/mK ở nhiệt độ phòng), do đó nó không truyền nhiệt hiệu quả và do đó với mật độ năng lượng nhất định sẽ dẫn đến nhiệt độ kênh cao hơn.

Nếu bạn muốn tạo một MMIC thay vì chỉ một thiết bị rời rạc, silicon sẽ gặp bất lợi rất lớn vì ở dạng phổ biến nhất, nó dẫn điện, giống như chất bán dẫn! Do đó, nếu bạn sử dụng silicon có điện trở suất thấp (LRS) thông thường và in các đường truyền vi dải trên đó, thì việc mất các kết nối sẽ vượt quá bất kỳ lợi ích nào bạn có được từ bóng bán dẫn, một sự lãng phí rất lớn về thời gian! Để tạo ra MMIC silicon, bạn có thể thu được silicon có điện trở suất cao (HRS), được đánh lừa lên đến vài trăm hoặc thậm chí vài nghìn ohm-cm, điều này sẽ làm tăng thêm tổn hao có thể đo được cho đường T nhưng có lẽ bạn có thể thiết kế một sản phẩm hữu ích HRS hiện có sẵn với đường kính lên tới 6 inch (150 mm), điều này có khả năng mang lại lợi thế về chi phí sản xuất so với SiC trong thời điểm hiện tại.

Còn có tin xấu hơn cho GaN MMIC trên HRS: tính đồng nhất của điện trở suất của chất nền là không hoàn hảo, thường thay đổi theo một bậc độ lớn trên tấm bán dẫn. Điều này cuối cùng sẽ mang lại sự thay đổi mức tăng rộng hơn trên MMIC trên GaN trên silicon so với GaN trên SiC. Ngoài ra, nếu bạn không chú ý, điện trở suất của silicon sẽ bị giảm trong quá trình xử lý wafer. Và cuối cùng, khoảng 200C, đặc tính điện trở suất cao của chất nền HRS bắt đầu suy giảm nên ngay khi chúng ta phát minh ra công nghệ bán dẫn có thể chịu được nhiệt độ kênh 200C thì chúng ta phải lùi về 175 để tránh hiệu ứng dẫn điện của chất nền. Nhưng một lần nữa, nếu bạn chỉ quan tâm đến các thiết bị rời rạc, hãy xem xét tính kinh tế của GaN trên silicon.

Nhiệt độ kênh tối đa

GaN có thể hoạt động ở nhiệt độ kênh lên tới 200C (150C là giới hạn thường được trích dẫn của GaA trong 1.000.000 giờ hoạt động). Dưới 2 GHz, dự kiến ​​GaN sẽ được sử dụng trong các ứng dụng trạm gốc, cạnh tranh với công nghệ cacbua silic. Các sản phẩm GaN tần số cao hơn sẽ được quân đội đưa vào sử dụng, với nhiều nhà cung cấp báo cáo rằng các bộ khuếch đại công suất thậm chí còn ở tần số sóng milimet.

Ví dụ về xưởng đúc:

Cree(GaN trên SiC)

Nitronex (GaN trên silicon)