Confronto tra semiconduttori al silicio e al nitruro di gallio (GaN): Proprietà e applicazioni
Il silicio è stato la base della tecnologia dei semiconduttori per quasi 60 anni. In oltre mezzo secolo, tuttavia, ingegneri e produttori hanno compiuto enormi progressi nella produzione di silicio, nella progettazione di circuiti integrati e nelle applicazioni di semiconduttori. La legge di Moore mostra che i ricercatori sono vicini a raggiungere il limite teorico dei semiconduttori a base di silicio.
Sebbene il substrato di semiconduttori in silicio sia perfetto per alcune applicazioni elettroniche, i ricercatori e i produttori di semiconduttori hanno a lungo cercato alternative più robuste al silicio per applicazioni specifiche. Questi scienziati hanno ottenuto vari gradi di successo negli ultimi decenni, ma è emersa un'alternativa forte al silicio: i semiconduttori al nitruro di gallio (GaN).
Struttura del semiconduttore al nitruro di gallio
Il nitruro di gallio è un semiconduttore con struttura cristallina di tipo wurtzite, prodotto mediante deposizione chimica da fase vapore metallo-organica (MOCVD). In questo processo, gallio e azoto si combinano per formare il cristallo. Esistono diverse miscele per questa sintesi, ma un esempio di sintesi del GaN utilizza ammoniaca (NH₃) come fonte di azoto e una fonte di gallio come il trimetilgallio.
La struttura cristallina del GaN presenta alcuni problemi di uniformità, arrivando talvolta a milioni di difetti per centimetro. Tuttavia, le tecniche MOCVD più moderne sono riuscite a ridurre il numero di difetti per centimetro a valori compresi tra 100 e 1000, permettendo la crescita e l’utilizzo di cristalli di GaN più grandi sotto forma di wafer. Quando gli scienziati riescono a sintetizzare il GaN con un basso livello di difetti, il composto presenta diverse proprietà cristalline distintive che gli conferiscono caratteristiche desiderabili nelle applicazioni dei semiconduttori.
Vantaggio della banda proibita di GaN rispetto al silicio
Uno dei vantaggi più significativi del nitruro di gallio rispetto al silicio è la sua banda proibita, che gli conferisce varie proprietà elettriche che lo rendono adatto per applicazioni ad alta potenza. Il nitruro di gallio ha una banda proibita di 3,2 elettronvolt (eV), mentre quella del silicio è di soli 1,1 eV. Poiché la banda proibita del GaN è quasi il triplo di quella del silicio, utilizza molta più energia per eccitare un elettrone di valenza nella banda di conduzione del semiconduttore. Questa caratteristica limita l'uso del GaN in applicazioni a bassissima tensione, ma consente al GaN tensioni di rottura più elevate e maggiore stabilità termica a temperature più alte.
Campo di rottura GaN
Il campo di rottura del GaN è di 3.3 MV/cm, mentre il silicio ha un campo di rottura di 0.3 MV/cm. Questo rende i semiconduttori al nitruro di gallio dieci volte più in grado di supportare design ad alta tensione prima di fallire. 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. I produttori e ingegneri possono anche utilizzare il GaN in applicazioni di tensione simili mantenendo un ingombro significativamente minore. Il silicio, in confronto, ha una densità di potenza drasticamente più alta.
Mobilità degli elettroni: nitruro di gallio vs. 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 oltre il 30% più velocemente degli elettroni del silicio. Questa mobilità elettronica conferisce al nitruro di gallio un netto vantaggio per l'uso nei componenti RF, poiché può gestire frequenze di commutazione più elevate rispetto al silicio.
Confronto della conducibilità termica
Uno svantaggio del nitruro di gallio rispetto al silicio è la sua minore conducibilità termica. Il nitruro di gallio ha una conducibilità termica di 1,3 W/cmK, mentre il silicio ha una conducibilità termica di appena 1,5 W/cmK. Sebbene il nitruro di gallio possa non essere altrettanto adatto a gestire carichi termici elevati, l'efficienza del GaN a tensioni comparabili riduce i carichi termici creati dal circuito, il che significa che opererà a temperature più basse rispetto al silicio. Esamina un esempio di questa differenza di conducibilità termica, dove EPC Corporation mostra una dimostrazione della riduzione della perdita di potenza del 40% confrontando un FET GaN da 120V a 12V 12A con un MOSFET. Di conseguenza, il FET GaN funziona quasi dieci gradi più freddo e risparmia energia durante il funzionamento.
Produttibilità dei semiconduttori in silicio e GaN
Il problema tecnologico del nitruro di gallio è il suo processo di produzione, soprattutto se confrontato con il processo di produzione ampiamente adottato e commoditizzato del silicio. Il nitruro di gallio, ad esempio, contiene un numero elevatissimo di difetti cristallini su una piccola area. In confronto, il silicio può contenere solo 100 difetti per centimetro quadrato. Prima di questo secolo, gli ingegneri non erano mai stati in grado di produrre substrati di GaN con meno di un miliardo di difetti/cm.
Ovviamente, questa grande quantità di difetti/area è incredibilmente inefficace data la maggior parte dei requisiti di progettazione della produzione di semiconduttori. I difetti limitavano anche i substrati semiconduttori di GaN solo per le loro dimensioni fisiche. Sebbene le nuove tecniche di produzione abbiano ridotto il numero di difetti a numeri più efficienti, il costo per produrre la stessa quantità di wafer di GaN non può ancora competere con quello del silicio.
Il nitruro di gallio è migliore del silicio?
GaN presenta vantaggi distinti rispetto al silicio quando viene utilizzato per applicazioni semiconduttori. Ci sono due principali ostacoli per il nitruro di gallio:
- Controllo dei difetti nella produzione
- Mantenere la convenienza economica
Tag articolo
