O que é Nitreto de Gálio, Semicondutor GaN

23 de fevereiro de 2023 0 Comentários Leitura: 12 min

A tecnologia de Nitreto de Gálio, GaN está sendo cada vez mais usada em muitas áreas do design eletrônico, portanto, entender o que o material realmente é pode ser muito útil.

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Nosso tutorial sobre semicondutores Inclui:

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A tecnologia de nitreto de gálio, GaN está sendo cada vez mais usada como material semicondutor, pois é possível fabricar vários dispositivos com desempenho que não pode ser igualado pelo silício.

Em particular, a tecnologia GaN é usada em diodos emissores de luz, onde emite uma luz azul e tem sido a pedra angular dos discos Blu-ray e deu seu nome à tecnologia.

Mas o nitreto de gálio também está sendo cada vez mais usado em dispositivos de energia semicondutores, componentes semicondutores de RF e micro-ondas, bem como lasers e fotônica.

Dispositivos incluindo GaN FETs ou GaN HEMTs estão sendo cada vez mais vistos tanto para projetos de RF quanto para aplicações gerais de eletrônica de potência.

Nos próximos anos, prevê-se que a tecnologia GaN aumentará em seu uso devido à demanda por semicondutores de maior potência e desempenho. Tudo, desde circuitos de energia a designs de RF, LEDs e muito mais.

Sumário

O que é nitreto de gálio, GaN – propriedades físicas

O nitreto de gálio tem muitas propriedades únicas como material. Quimicamente, compreende o gálio que tem um número atômico de 31 e o nitrogênio com um número atômico de 7.

Os dois elementos se combinam para formar o que é conhecido como uma estrutura robusta de Wurtzita. O material é muito forte e tem um ponto de fusão de cerca de 2500°C.

O nitreto de gálio, GaN, não ocorre naturalmente na natureza e deve ser sintetizado quimicamente. Isso é obtido tomando gálio e amônia e submetendo-os a altas temperaturas e pressões.

No entanto, existem problemas com o material porque existem limitações quanto ao tamanho e pureza alcançáveis. Possui uma estrutura cristalina complexa conhecida como estrutura Wurtzita e, como resultado, é propensa a altas densidades de deslocamento, variando de 1 em 10 8 ^a 1 em ^{10 10} defeitos.

Um resumo das propriedades físicas do nitreto de gálio é dado na tabela abaixo.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES FÍSICAS DO NITRETO DE GÁLIO
PROPRIEDADES	UNIDADES	CARBONETO DE SILÍCIO
Densidade	g/cm ³	6.1
Dureza	GPa	aproximadamente 12
Tenacidade à Fratura	MPa.m ^1/2	Aproximadamente 0,80
Coeficiente de Expansão Térmica	10 ^-6 /°K
Condutividade térmica	W cm ^-1 °K ^-1>	1.3
Índice de refração	Não aplicável – apenas relação	2.429
Solubilidade	Não aplicável	Insolúvel
Ponto de fusão	° C	~2500

O que é nitreto de gálio – propriedades elétricas

O nitreto de gálio também tem muitas propriedades elétricas como semicondutor que o tornam muito útil e, como resultado, é usado em muitos dispositivos de diodos GaN Schottky, GaN FETs, GaN MOSFETs, GaN HEMTS e similares.

O nitreto de gálio é referido como um material semicondutor de bandgap largo. Possui uma estrutura cristalina hexagonal. Em termos de suas propriedades semicondutoras, o bandgap é a energia necessária para liberar um elétron de sua órbita ao redor do núcleo. Com um bandgap de 3,4 eV, o nitreto de gálio é mais de três vezes maior que o do silício, o que significa que é frequentemente chamado de semicondutor de gap largo ou pode ser apenas referido como “WBG”.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES ELÉTRICAS DO NITRETO DE GÁLIO USADO EM DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES
PROPRIEDADE	SI	GAN
Gap de banda de energia: E _G (eV)	1.12	3.2
Mobilidade eletrônica: µ _n (cm ² /V _S )	1400	1250
Campo de divisão: E _B (V/cm)X10 ⁶	0,3	3
Velocidade de desvio de saturação: v _s (cm/s)X10 ⁷	1	2.7
Constante dielétrica relativa: e _S	11.8	9.5

O nitreto de gálio é um semicondutor direto do grupo III/V. Sua capacidade de alta temperatura, bem como sua alta mobilidade de elétrons, significam que ele é ideal para uso em muitos dispositivos semicondutores, incluindo GaN FETs, GaN MOSFETs GaN HEMTs e muitos outros dispositivos.

Olhando mais para isso, todos os materiais semicondutores têm o que é chamado de bandgap. O bandgap é uma faixa de energia em um sólido onde nenhum elétron pode existir. Em outras palavras, um bandgap está relacionado a quão bem um material sólido pode conduzir eletricidade. O silício tem um bandgap de 1,12 eV, enquanto o nitreto de gálio tem um bandgap de 3,4 eV e o carboneto de silício tem um bandgap de 3,26eV*.

Os semicondutores que têm um bandgap grande ou largo são conhecidos como semicondutores de bandgap largo. O bandgap mais amplo significa que o semicondutor pode sustentar tensões e temperaturas mais altas. Este amplo bandgap permite que o nitreto de gálio e outros semicondutores de amplo bandgap sejam usados em muitas aplicações de energia: fontes de alimentação, bem como amplificadores de potência de RF porque oferecem altos níveis de eficiência, bem como os maiores níveis de resiliência.

Dopagem nitreto de gálio

Obviamente, uma das principais questões associadas à tecnologia GaN é a forma como o material é dopado. O semicondutor precisa ser dopado com um material adequado para que se torne condutor, caso contrário, permanecerá um isolante.

São necessários materiais do tipo P e do tipo N, embora onde apenas um tipo de material seja necessário, o tipo N é usado porque usa elétrons em vez de buracos e a mobilidade dos elétrons é muito maior do que a dos buracos.

Normalmente, apenas um número limitado de elementos que a estrutura cristalina do GaN aceitará para fornecer o material tipo P ou tipo N.

GaN tipo N: Silício ou germânio podem ser usados como dopantes para produzir nitreto de gálio tipo N.
GaN tipo P: O processo de produção de nitreto de gálio tipo P é mais difícil de gerenciar. O magnésio é a única impureza que pode produzir GaN do tipo P. O processo para isso sofre de limitações significativas. O magnésio tem uma energia de ionização muito maior do que os dopantes típicos usados na tecnologia convencional de semicondutores. Isso significa que altas concentrações de impurezas de magnésio são necessárias para atingir as concentrações de furos necessárias para dispositivos utilizáveis. Além disso, o recozimento pós-crescimento em alta temperatura é necessário para ativar os aceptores de magnésio, que são passivados pelo hidrogênio em processos típicos de crescimento. No geral, este processo é difícil de alcançar satisfatoriamente.

Embora a tecnologia GaN esteja bem avançada em muitas áreas, as dificuldades com a produção do semicondutor do tipo P limitaram algumas áreas da absorção da tecnologia GaN.

Fabricação de GaN

Nos últimos anos, a fabricação de nitreto de gálio, a tecnologia GaN avançou tremendamente à medida que a demanda por esses dispositivos aumentou.

Alguns primeiros GaN FETs foram produzidos por volta de 2006 e eram dispositivos de modo de aprimoramento.

Os principais problemas com a tecnologia de semicondutores de GaN são o crescimento dos cristais brutos de GaN. Para o silício, um processo conhecido como processo Czochralski é usado para desenhar os cristais de silício, mas isso não é possível usando GaN.

Em vez disso, a deposição química de vapor precisa ser usada para cultivar o nitreto de gálio em um pseudo substrato. Isso adiciona tempo e custo ao processo e não produz tanto arseneto de gálio quanto no processo Czochralski.

Uma vez formado o substrato, é possível produzir GaN FETs, GaN FETs, etc., usando alguns dos mesmos processos usados para dispositivos de silício. Isso significa que o diferencial de custo entre silício e GaN não é tão grande quanto poderia ser.

Atualmente, uma boa variedade de dispositivos semicondutores GaN é produzida a partir de GaN FETs (também conhecidos como GaN HEMTs ou apenas transistores GaN) até diodos GaN Schottky e também vários dispositivos fotônicos inovadores.

Os processos de fabricação de GaN geralmente usam silício ou carboneto de silício como substrato, ou seja, GaN em Si ou GaN em SiC.

Cada substrato tem suas próprias vantagens e desvantagens. O silício é a opção menos dispendiosa em comparação com o carboneto de silício, mas o GaN no SiC oferece maior confiabilidade e potência. Conseqüentemente, GaN em SiC é a abordagem de escolha para muitas potências de RF e outras aplicações.

Vantagens e desvantagens da tecnologia GaN

Como em qualquer coisa, há vantagens e desvantagens em usar a tecnologia GaN. Felizmente, a maioria dos pontos são vantagens, então muitos circuitos agora estão usando dispositivos como GaN MOSFETs e outras tecnologias GaN.

Vantagens da tecnologia GaN

Wide bandgap: Os semicondutores de banda larga permitem que os dispositivos operem em tensões, frequências e temperaturas muito mais altas do que os materiais semicondutores convencionais.
Alta quebra: O amplo bandgap dos semicondutores GaN permite que eles tenham uma alta tensão de quebra. Isso permite que eles sejam usados em sistemas de alta tensão e alta potência com mais facilidade.
Alta mobilidade de elétrons: A alta mobilidade de elétrons permite que o dispositivo responda mais rapidamente, proporcionando alta frequência de operação, velocidade de comutação mais rápida e transição mais rápida entre os estados ligado e desligado.
Maior velocidade de comutação: A maior velocidade de comutação e, portanto, a maior frequência de operação para comutação dentro de circuitos SMPS, etc., resulta no uso de indutores e capacitores menores em circuitos de potência. A indutância e a capacitância diminuem proporcionalmente à frequência. Isso pode resultar em uma redução muito grande de peso e volume, e por sua vez isso reflete no custo.
Custos de sistema mais baixos: os semicondutores GaN são normalmente mais caros do que seus equivalentes de silício, mas geralmente é possível obter reduções de custo no nível do sistema usando dispositivos GaN porque geralmente é possível reduzir o tamanho das unidades e aumentar a eficiência e a velocidade (incluindo a frequência de operação) geralmente significa que os componentes passivos, incluindo indutores e capacitores, podem ser menores e, portanto, mais baratos. Muitas vezes, a economia geral pode ficar entre 10 e 20%.

Desvantagens da tecnologia GaN

Problemas com material do tipo P: Um dos problemas com os semicondutores GaN é a produção do material do tipo P. Embora isso não afete todas as áreas da tecnologia GaN, apresenta alguns problemas importantes em algumas áreas. Isso significa que o GaN não é viável para a lógica onde são necessárias saídas complementares para velocidade, transistores bipolares onde tanto o semicondutor do tipo N quanto o do tipo P são necessários e outros dispositivos onde o semicondutor do tipo P é necessário.
Substrato: O arsenieto de gálio é muito estável e isso torna extremamente difícil o crescimento de cristais do material da mesma forma que é para o silício. Em vez disso, a tecnologia GaN usa técnicas em que o arsenieto de gálio é cultivado nos chamados pseudo-substratos. Esta técnica introduz mais etapas e dificuldades na produção de dispositivos GaN.
Deslocamentos e defeitos do substrato: Outro problema com a fabricação de dispositivos GaN é o número de defeitos que ocorrem no cristal. Estes ocorrem e ocorrem em ordens de grandeza superiores às do silício. Isso dá origem a caminhos de recombinação e vazamento dentro dos dispositivos GaN.
Condutividade térmica: Embora o arseneto de gálio tenha uma condutividade térmica semelhante à do silício, a fabricação de dispositivos GaN, como GaN FETs e diodos Gan, etc., envolve a inclusão de camadas de camadas de materiais como ligas de GaN e nitreto de alumínio AlN . Estes têm níveis muito baixos de condutividade térmica e isso pode ser um fator limitante em muitos aspectos do uso da tecnologia GaN, em vez de seu desempenho elétrico.
Custos de fabricação: Tendo em vista as dificuldades na produção de dispositivos que utilizam a tecnologia GaN, incluindo diodos GaN e MOSFETs GaN, etc., os custos dos dispositivos tendem a ser muito maiores. Como resultado, os projetistas de circuitos precisam avaliar os benefícios de custo/desempenho do uso de dispositivos de arsenieto de gálio. Dito isso, em muitos casos, o uso de dispositivos que usam a tecnologia GaN pode resultar em uma redução geral do custo do sistema, mas é preciso tomar cuidado para garantir que esses benefícios sejam atendidos no projeto do circuito.

O uso de semicondutores GaN em circuitos pode ter um impacto muito positivo no design geral do circuito eletrônico, embora os problemas com a fabricação de dispositivos usando a tecnologia GaN possam resultar em custos mais altos, embora estes possam muitas vezes ser compensados pelos benefícios gerais e trazer um design acabado de melhor e menor custo.

O uso de semicondutores GaN está crescendo em muitas áreas da eletrônica. Como resultado de suas vantagens sobre o silício em muitas aplicações, ele pode fornecer algumas melhorias significativas no desempenho. Como resultado, o desenvolvimento da tecnologia GaN está avançando e muitos obstáculos provavelmente serão superados, levando a um uso mais amplo da tecnologia.

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