Il silicio è alla base della tecnologia dei semiconduttori da quasi 60 anni. Tuttavia, in oltre mezzo secolo, ingegneri e produttori hanno compiuto enormi progressi nella produzione di silicio, nella progettazione di circuiti integrati e nelle applicazioni dei semiconduttori. La legge di Moore dimostra che i ricercatori sono prossimi a raggiungere il limite teorico dei semiconduttori al silicio.
Sebbene il substrato semiconduttore in silicio sia perfetto per alcune applicazioni elettroniche, ricercatori scientifici e produttori di semiconduttori sono da tempo alla ricerca di alternative più robuste al silicio per applicazioni specifiche. Negli ultimi decenni questi scienziati hanno ottenuto diversi gradi di successo, ma è emersa una valida alternativa al silicio: i semiconduttori in nitruro di gallio (GaN).
Struttura del semiconduttore di nitruro di gallio
Il nitruro di gallio è un semiconduttore con struttura cristallina di wurtzite, prodotto mediante deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD). In questo processo, il gallio e l'azoto si combinano per formare il cristallo. Esistono diverse miscele per questa sintesi, ma un esempio di sintesi di GaN impiega l'ammoniaca (NH3) come fonte di azoto e una fonte di gallio come il trimetilgallio.
La struttura cristallina del GaN presenta alcuni problemi di uniformità, raggiungendo talvolta milioni di difetti per centimetro. Tuttavia, le tecniche MOCVD più moderne sono riuscite a ridurre il numero di difetti per centimetro a un valore compreso tra 100 e 1000, consentendo la crescita e l'utilizzo di cristalli GaN più grandi come wafer. Quando gli scienziati riescono a sintetizzare il GaN con un basso grado di errore, il composto presenta diverse proprietà cristalline distinte che gli conferiscono caratteristiche desiderabili nelle applicazioni dei semiconduttori.
Vantaggio del gap di banda del GaN rispetto al silicio
Uno dei vantaggi più significativi del nitruro di gallio rispetto al silicio è il suo bandgap, che gli conferisce diverse proprietà elettriche che lo rendono idoneo ad applicazioni ad alta potenza. Il nitruro di gallio ha un bandgap di 3,2 elettronvolt (eV), mentre quello del silicio è di soli 1,1 eV. Dal momento che la banda proibita del GaN è quasi tre volte quella del silicio, è necessaria molta più energia per eccitare un elettrone di valenza nella banda di conduzione del semiconduttore. Questa caratteristica limita l'utilizzo del GaN in applicazioni a bassissima tensione, ma consente al GaN tensioni di rottura più elevate e una maggiore stabilità termica a temperature più elevate.
Campo di rottura del GaN
Il campo di breakdown del GaN è pari a 3,3 MV/cm, mentre il silicio ha un campo di breakdown di 0,3 MV/cm. Ciò rende i semiconduttori in nitruro di gallio dieci volte più capaci di supportare progetti ad alta tensione prima di guastarsi. Un campo di rottura più elevato significa che il nitruro di gallio è superiore al silicio nei circuiti ad alta tensione, come i prodotti ad alta potenza. Produttori e ingegneri possono utilizzare il GaN anche in applicazioni con tensione simile, mantenendo un ingombro notevolmente ridotto. Il silicio, al contrario, ha una densità di potenza notevolmente più elevata.
Nitruro di gallio e mobilità degli elettroni del silicio
il silicio ha una mobilità elettronica di 1500 cm2/Vs, mentre il nitruro di gallio ha una mobilità elettronica di 2000 cm2/Vs. Pertanto, gli elettroni nei cristalli di nitruro di gallio possono muoversi a una velocità superiore del 30% rispetto agli elettroni del silicio. Questa mobilità degli elettroni conferisce al nitruro di gallio un netto vantaggio per l'impiego nei componenti RF, in quanto può gestire frequenze di commutazione più elevate rispetto al silicio.
Confronto della conduttività termica
Uno svantaggio del nitruro di gallio rispetto al silicio è la sua minore conduttività termica. Il nitruro di gallio ha una conduttività termica di 1,3 W/cmK, mentre il silicio ha una conduttività termica di soli 1,5 W/cmK. Sebbene il nitruro di gallio potrebbe non essere adatto a gestire elevati carichi termici, l'efficienza del GaN a tensioni comparabili riduce i carichi termici creati dal circuito, il che significa che funzionerà a temperature più basse del silicio.
Ecco un esempio di questa differenza di conduttività termica, in cui EPC Corporation dimostra una riduzione della perdita di potenza del 40% mettendo a confronto un FET GaN da 120 V a 12 V e 12 A e un MOSFET. A sua volta, il FET GaN funziona a una temperatura inferiore di circa dieci gradi e permette di risparmiare energia durante l'uso.
Producibilità di semiconduttori in silicio e GaN
Il problema tecnologico del nitruro di gallio è il suo processo di fabbricazione, soprattutto se confrontato con il processo di fabbricazione del silicio, ampiamente adottato e commercializzato. Il nitruro di gallio, ad esempio, contiene un numero enorme di difetti cristallini su una piccola area. In confronto, il silicio può contenere fino a 100 difetti per centimetro quadrato. Prima di questo secolo, gli ingegneri non erano mai riusciti a produrre substrati di GaN con meno di un miliardo di difetti/cm.
Naturalmente, questa grande quantità di difetti per area è incredibilmente inefficace per la maggior parte dei requisiti di progettazione della produzione di semiconduttori. I difetti limitano anche i substrati di semiconduttore GaN per le loro dimensioni fisiche. Anche se le nuove tecniche di produzione hanno ridotto il numero di difetti a valori più efficienti, il costo di produzione della stessa quantità di wafer GaN non è ancora paragonabile a quello del silicio.
Il nitruro di gallio è migliore del silicio?
Il GaN presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio quando viene utilizzato nelle applicazioni dei semiconduttori. Esistono due ostacoli principali per il nitruro di gallio:
- Controllo dei difetti nella produzione
- Mantenere l'economicità
Il nitruro di gallio è più efficiente, termicamente più stabile e certamente più adatto all'uso in dispositivi di potenza che richiedono un carico maggiore o frequenze più elevate a temperature più alte. Il materiale GaN è a prova di futuro per il mondo dei semiconduttori e porterà a prodotti di piccole dimensioni e ad alta frequenza più facilmente disponibili. Scopri una varietà di prodotti di potenza, inclusi i MOSFET GaN.