Silicium vs. Galliumnitrid (GaN) Halbleiter: Vergleich von Eigenschaften & Anwendungen

Galliumnitrid ist ein Halbleiter mit Wurtzit-Kristallstruktur, der unter Verwendung der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt wird. In diesem Prozess verbinden sich Gallium und Stickstoff, um den Kristall zu bilden. Verschiedene Mischungen für diese Synthese existieren, aber ein Beispiel für die GaN-Synthese verwendet Ammoniak (NH3) als Stickstoffquelle und eine Galliumquelle wie Trimethylgallium.
 
Die kristalline Struktur von GaN weist einige Gleichmäßigkeitsprobleme auf und erreicht manchmal Millionen von Defekten pro Zentimeterbereich. Moderne MOCVD-Techniken konnten jedoch die Anzahl der Defekte pro Zentimeter auf einen Bereich zwischen 100 und 1000 reduzieren, wodurch größere GaN-Kristalle als Wafer wachsen und genutzt werden können. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, GaN mit einem geringen Fehlergrad zu synthetisieren, hat die Verbindung mehrere ausgeprägte kristalline Eigenschaften, die ihr in Halbleiteranwendungen wünschenswerte Merkmale verleihen.

Bandabstandsvorteil von GaN im Vergleich zu Silizium

Einer der bedeutendsten Vorteile von Galliumnitrid gegenüber Silizium ist seine Bandlücke, die ihm verschiedene elektrische Eigenschaften verleiht, die es für Anwendungen mit höherer Leistung ausstatten. Galliumnitrid hat eine Bandlücke von 3,2 Elektronenvolt (eV), während die Bandlücke von Silizium nur 1,1 eV beträgt. Da die Bandlücke von GaN fast dreimal so groß ist wie die von Silizium, benötigt es deutlich mehr Energie, um ein Valenzelektron in das Leitungsband des Halbleiters zu erregen. Diese Eigenschaft beschränkt den Einsatz von GaN in sehr niederohmigen Anwendungen, ermöglicht jedoch größere Durchbruchspannungen und eine höhere thermische Stabilität bei höheren Temperaturen.

GaN-Durchbruchfeld

Das Durchschlagsfeld von GaN beträgt 3,3 MV/cm, während Silizium ein Durchschlagsfeld von 0,3 MV/cm hat. Das macht Galliumnitrid-Halbleiter zehnmal fähiger, Hochspannungsdesigns zu unterstützen, bevor sie versagen. Ein höheres Durchschlagsfeld bedeutet, dass Galliumnitrid Silizium in Hochspannungsschaltungen wie Hochleistungsprodukten überlegen ist. Hersteller und Ingenieure können GaN auch in ähnlichen Spannungsanwendungen verwenden und dabei einen deutlich kleineren Platzbedarf beibehalten. Silizium hingegen hat eine drastisch höhere Leistungsdichte.

Elektronenbeweglichkeit von Galliumnitrid vs. Silizium

Silizium hat eine Elektronenbeweglichkeit von 1500 cm2/Vs, während Galliumnitrid eine Elektronenbeweglichkeit von 2000 cm2/Vs hat. Daher können sich die Elektronen in Galliumnitridkristallen über 30 % schneller bewegen als die Elektronen in Silizium. Diese Elektronenbeweglichkeit verschafft Galliumnitrid einen deutlichen Vorteil bei der Verwendung in RF-Komponenten, da es höhere Schaltfrequenzen als Silizium bewältigen kann.

Vergleich der Wärmeleitfähigkeit

Ein Nachteil von Galliumnitrid im Vergleich zu Silizium ist seine geringere Wärmeleitfähigkeit. Galliumnitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3 W/cmK, während Silizium eine Wärmeleitfähigkeit von nur 1,5 W/cmK aufweist. Obwohl Galliumnitrid möglicherweise nicht so gut ausgestattet ist, um hohe thermische Lasten zu bewältigen, reduziert die Effizienz von GaN bei vergleichbaren Spannungen die durch die Schaltung erzeugten thermischen Lasten, was bedeutet, dass es kühler als Silizium läuft.
 
Sehen Sie sich ein Beispiel für diesen Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit an, bei dem die EPC Corporation eine Demonstration des 40%igen Leistungsverlusts zeigt, wenn ein 120V zu 12V 12A GaN FET mit einem MOSFET verglichen wird. Infolgedessen läuft der GaN FET fast zehn Grad kühler und spart Energie im Betrieb.

Fertigungsmöglichkeiten von Silizium- und GaN-Halbleitern

Der technologische Nachteil von Galliumnitrid ist sein Herstellungsprozess, insbesondere im Vergleich zu dem weit verbreiteten und standardisierten Herstellungsprozess von Silizium. Galliumnitrid enthält zum Beispiel eine enorme Anzahl von Kristallfehlern auf einer kleinen Fläche. Im Vergleich dazu kann Silizium so wenig wie 100 Fehler pro Quadratzentimeter enthalten. Vor diesem Jahrhundert konnten Ingenieure GaN-Substrate nie mit weniger als einer Milliarde Fehler/cm herstellen.
 
Offensichtlich ist diese große Menge an Fehlern/Fläche angesichts der meisten Anforderungen an das Design der Halbleiterherstellung äußerst ineffizient. Die Fehler begrenzten auch die GaN-Halbleitersubstrate allein durch ihre physische Größe. Während neue Herstellungstechniken die Anzahl der Fehler auf effizientere Zahlen gesenkt haben, können die Produktionskosten für die gleiche Menge an GaN-Wafern immer noch nicht mit Silizium verglichen werden.

Ist Galliumnitrid besser als Silizium?

GaN hat deutliche Vorteile gegenüber Silizium bei der Verwendung für Halbleiteranwendungen. Es gibt zwei Hauptprobleme bei Galliumnitrid:

•  Defektkontrolle in der Herstellung
•  Aufrechterhaltung der Kosteneffizienz