Tässä artikkelissa tarkastellaan galliumarsenidia ja selvitetään, miten se vertautuu muihin suosittuihin puolijohdemateriaaleihin, sekä tutkitaan eri komponentteja, jotka hyödyntävät kutakin materiaalia.

Piillä on jo pitkään ollut paikkansa puolijohteiden avainmateriaalina. Galliumarsenidi sekä muut yhdisteet, kuten galliumnitridi ja piikarbidi, jakavat nyt kuitenkin näyttämön. Mitä galliumarsenidi on ja miten se eroaa muista yhdisteistä? Tutustutaan tähän yhdisteeseen ja katsotaan, miten sitä käytetään puolijohdemateriaalina.

Mitä on galliumarsenidi?

Galliumarsenidi (GaAs) on yhdiste, joka on rakennettu alkuaineista gallium ja arseeni. Sitä kutsutaan usein III-V-yhdisteeksi, koska gallium kuuluu jaksollisen järjestelmän III-ryhmään ja arseeni V-ryhmään.

Kuva 1. Galliumarsenidiyhdiste. Ruskea edustaa galliumia ja violetti arseenia. Kuva Shandirai Malven Tunhuma – Pretorian yliopisto.

Galliumarsenidin käyttö ei ole uutta teknologiaa. Itse asiassa DARPA on rahoittanut teknologian tutkimusta 1970-luvulta lähtien. Vaikka piipohjainen teknologia on ollut ”mikroelektroniikan vallankumouksen selkärangan aine, GaAs-piirit toimivat korkeammilla taajuuksilla ja signaalinvahvistustehoilla, jotka ovat tehneet käytännölliseksi maailman, johon kämmenen kokoiset matkapuhelimet ovat yhteydessä.”

Galliumarsenidi johti GPS-vastaanottimien pienentämiseen 1980-luvulla. Tämä mahdollisti laserohjatut täsmäammukset, jotka tulivat Yhdysvaltain arsenaaleihin tuona aikana.

Bandgaps in Different Semiconductor Materials

Puuttumatta syvälliseen teoreettiseen fysiikkaan, materiaalin bandgaps on materiaalin atomikuorikerrosten välinen tila. Suurempi tila tarkoittaa, että tarvitaan enemmän energiaa, jotta puolijohteen elektronit ”hyppäisivät” seuraavalle kuorelle ja puolijohde siirtyisi johtavaan tilaan. Kuten tulemme näkemään, tällä on useita tärkeitä seurauksia.

GaAs:n, Si:n, SiC:n ja GaN:n kaistalukujen vertailu

Suuren elektroniliikkuvuuden ansiosta GaAs:sta rakennetut puolijohdekomponentit voivat toimia satojen gigahertsien taajuuksilla.

Vaikka GaAs:ia ei varsinaisesti pidetäkään materiaalina, jolla on ”leveä kaistalukko” (wide bandgap, wide bandgap, bandgap = laaja kaistalukko), sen kaistalukupäähäviö (bandgap cap) on kuitenkin huomattavasti suurempi kuin piin. Tämä tekee GaAs:sta erittäin säteilynkestävän ja siten erinomaisen valinnan puolustus- ja avaruussovelluksiin. Toinen myyntivaltti on se, että GaAs-laitteet kestävät paljon paremmin lämpöä ja aiheuttavat vähemmän sähkömagneettisia häiriöitä.

GaAs:lla on suora kaistaleveys verrattuna piin epäsuoraan kaistaleveyteen. Tämän vuoksi GaAs pystyy säteilemään valoa paljon tehokkaammin kuin piistä valmistetut laitteet. Tämä antaa GaAs-LEDeille selkeän edun piistä valmistettuihin verrattuna.

Piin suuri etu on se, että massatuotannon todellisessa maailmassa pii on paljon helpompi työstää. Piillä on ”alkuperäinen oksidi”, piidioksidi (SiO2). Tämä valmis eriste on korvaamaton etu piilaitteiden valmistuksessa. GaAs:lla ei ole vastaavaa.

Tätä kirjoitettaessa kehitetään piiprosesseja aina seitsemän nanometrin tasolle asti. 500 nanometriä on suunnilleen niin matala kuin GaAs voi mennä tällä hetkellä. Ja vaikka GaAs on nopea, se vie virtaa. Niinpä tavallisessa keskinopeassa ja hidaskäyntisessä logiikassa pii voi edelleen olla oikea ratkaisu

Galliumnitridi ja piikarbidi

Kuten jäljempänä tarkemmin selostetaan, piikarbidilla (SiC) ja galliumnitridillä (GaN) on kaistanleveydet, jotka ovat huomattavasti suuremmat kuin piillä tai GaAs:lla.

Kaistaläpimitan vertailu

Materiaali	Kaistaläpimitta
Piikki (Si)	1.1 elektronivoltti (eV)
Galliumarsenidi (GaAs)	1.4 elektronivolttia (eV)
Piikarbidi (SiC)	3,0 elektronivolttia (eV)
Galliumnitridi (GaN)	3.4 elektronivolttia (eV)

Piikarbidia voidaan käyttää teho-MOSFETien rakentamiseen korkeajännitteisiin ja suuritehoisiin sovelluksiin, jotka toimivat korkealla taajuudella. Ne sietävät korkeita lämpötiloja ja niillä on RDS (on) -arvot, jotka ovat vakaita lämpötilan suhteen. RDS on resistanssi tyhjennyksen ja lähteen välillä, joka on erittäin kriittinen parametri kaikissa tehosovelluksissa.

Kuva 2. Piikarbidi. Kuva (muokattu) Munsterin yliopiston luvalla.

Galliumnitridillä on vielä suurempi kaistanleveys kuin piikarbidilla ja myös suurempi elektronien liikkuvuus. Teknologian luontaisesti alhaisemmat lähtö- ja porttikapasitanssit mahdollistavat lisäksi nopean toiminnan. GaN-laitteista puuttuu piipohjaisille laitteille ominainen runkodiodi. Tämän ansiosta palautumishäviöt poistuvat, toimintatehokkuus paranee ja sähkömagneettinen häiriö vähenee.

Kuva 3. Galliumnitridi. Image courtesy of the University of Bristol.

Piikarbidia voidaan käyttää teho-MOSFETien rakentamiseen suurella jännitteellä ja suurella teholla toimiviin sovelluksiin, jotka toimivat korkealla taajuudella. Ne sietävät korkeita lämpötiloja ja niillä on RDS (on) -arvot, jotka ovat vakaita lämpötilan suhteen. RDS on resistanssi tyhjennyksen ja lähteen välillä, joka on erittäin kriittinen parametri kaikissa tehosovelluksissa.

Galliumnitridillä on vielä suurempi kaistanleveys kuin piikarbidilla ja myös suurempi elektronien liikkuvuus. Teknologian luontaisesti alhaisemmat lähtö- ja porttikapasitanssit mahdollistavat lisäksi nopean toiminnan. GaN-laitteista puuttuu piipohjaisille laitteille ominainen runkodiodi. Tämä auttaa poistamaan palautushäviöitä, lisäämään toimintatehokkuutta ja vähentämään sähkömagneettista häiriötä.

Texas Instrumentsin LMG3410R050 GaN-laite

TI:n lähestymistapa on sisällyttää 600 V:n GaN-transistorin rinnalle portinohjainpiiri. LMG341xR050:n (PDF) luontaisiin etuihin pii-MOSFETeihin verrattuna kuuluvat erittäin alhaiset tulo- ja lähtökapasitanssit nopeaa toimintaa varten. Kytkentähäviöiden vähentäminen nollakäänteisen palautumisen ansiosta on toinen etu.

Kuva 4. LMG3410R050. Image courtesy of Texas Instruments.

GaN-laitteissa, kuten LMG3410R050:ssä, ei ole käänteistä palautumishäviötä, koska toisin kuin pii-MOSFETS:issä, lähteen ja tyhjennyksen välillä ei ole PN-liitosta.

Integroitu porttiohjain on viritetty erityisesti GaN-laitteelle nopeaa ajoa varten ilman portin soimista. Se säästää aikaa, tilaa ja BOM-kustannuksia OEM-valmistajille ja suojaa vioilta tarjoamalla ylivirta- ja ylilämpötilasuojan.

Cree’s Billion Dollar Commitment to SiC MOSFETS

Korkean kaistaläpimitan puolijohteiden maailmassa SiC on toinen voimakas kilpailija, kuten Creen sitoutuminen tähän teknologiaan osoittaa.

Cree tarjoaa monia SiC MOSFET:iä, mukaan lukien C2M0045170D. Tämä laite on mitoitettu 1700 V:lle ja 72 A:lle. Suurin liitoslämpötila on 150°C. Tärkeää on, että sen RDS (päällä) on vain 45 milliohmia.

Yhtiön CAB450M12XM3 (PDF) on 1200 V:n ja 450 A:n piikarbidi-puolisiltamoduuli.

Kuva 5. CAB450M12XM3. Kuva Cree-Wolfspeedin (PDF) luvalla.

Jatkuva liitoskytkentäkäyttö 175 °C:ssa on mahdollista. Tämä suuritehoinen laite on suunniteltu:

• Moottori- ja vetoajoneuvoihin
• Ajoneuvojen pikalatureihin
• Keskeytymättömiin virtalähteisiin

Galliumarsenidi-LED:iin

Näitä laitteita tarjotaan yleisemmin kiekkoina, mutta Vishay tarjoaa TSUS4300:aa (PDF), joka on erillinen GaAs-LED:iin, joka säteilee 950 nm:ssä. Yksi niiden spesifikaatioista on, että ne tarjoavat ”hyvän spektrisen yhteensovittamisen Si-fotodetektoreiden kanssa”, mikä ennakoi seuraavan alla olevan jakson keskeistä kohtaa.

Onko galliumarsenidi parempi valinta kuin pii?

Olemme keskustelleet joistakin yleisistä piirteistä ja yleisistä ominaisuuksista, mutta suunnittelijoiden on analysoitava huolellisesti erityismallien erityistarpeet eikä tehdä materiaalivalintaansa ennakkoluulojen perusteella. Joskus vastaus ei olekaan se, mitä alun perin odotettiin.

Analog Devicen Theresa Corriganin kirjoittamassa artikkelissa N-kanavaisia CMOS MOSFET:iä verrataan GaAs-laitteisiin, kun ne toimivat laajakaistaisina (900 MHz ja korkeammat) elektroniikkakytkiminä.

GaAs:n edut

• Matalan kytkentävastuksen
• Matalan poiskytkentäkapasitanssin
• Korkea lineaarisuus korkeilla taajuuksilla