Dit artikel gaat in op galliumarsenide, en onderzoekt hoe het zich verhoudt tot andere populaire halfgeleidermaterialen, en verkent de verschillende componenten die van elk materiaal gebruik maken.

Silicium heeft lang zijn plaats ingenomen als het belangrijkste materiaal in halfgeleiders. Maar galliumarsenide, samen met andere verbindingen zoals galliumnitride en siliciumcarbide, delen nu het podium. Wat is galliumarsenide en waarin verschilt het van andere verbindingen? Laten we deze verbinding onderzoeken en kijken hoe het wordt gebruikt als een halfgeleidermateriaal.

Wat is galliumarsenide?

Galliumarsenide (GaAs) is een verbinding die is opgebouwd uit de elementen gallium en arseen. Het wordt vaak een III-V-verbinding genoemd omdat gallium en arseen respectievelijk in de III-groep en de V-groep van het periodiek systeem zitten.

Figuur 1. De galliumarsenideverbinding. Het bruin staat voor gallium en het paars voor arsenicum. Afbeelding met dank aan Shandirai Malven Tunhuma – Universiteit van Pretoria.

Het gebruik van galliumarsenide is geen nieuwe technologie. In feite heeft DARPA al sinds de jaren zeventig onderzoek naar deze technologie gefinancierd. Terwijl op silicium gebaseerde technologie “de ruggengraatsubstantie van de micro-elektronicarevolutie is geweest, werkt GaAs-circuits op de hogere frequenties en signaalversterkingsvermogens die een wereld praktisch hebben gemaakt die is verbonden door mobiele telefoons van handpalmformaat.”

Galliumarsenide leidde tot de miniaturisatie van GPS-ontvangers in de jaren tachtig. Dit maakte de lasergestuurde, precisiemunitie mogelijk die in die periode in de Amerikaanse arsenalen terechtkwam.

Bandgaps in Different Semiconductor Materials

Zonder in de diepe theoretische natuurkunde te geraken, is de bandgaps van een materiaal de ruimte tussen de atomaire schillagen van een materiaal. De grotere ruimte betekent dat er meer energie nodig is om de elektronen van de halfgeleider naar de volgende schil te laten “springen” en de halfgeleider in een geleidende toestand te brengen. Zoals we zullen zien, heeft dit een aantal belangrijke vertakkingen.

Vergelijking van GaAs, Si, SiC, en GaN Bandgaps

Met een hoge elektronenmobiliteit, kunnen halfgeleiderinrichtingen gebouwd van GaAs functioneren bij frequenties in de honderden GHz.

Hoewel GaAs niet echt beschouwd wordt als een “brede bandgap” materiaal, heeft het wel een aanzienlijk hogere bandgap dan silicium doet. Dit maakt GaAs zeer bestendig tegen straling en daarom een uitstekende keuze voor defensie- en ruimtevaarttoepassingen. Een ander verkoopargument is dat GaAs apparaten veel beter bestand zijn tegen hitte en minder EMI afgeven.

GaAs heeft een directe bandgap in tegenstelling tot de indirecte bandgap van silicium. Hierdoor kan GaAs veel effectiever licht uitstralen dan silicium LEDs. Dit geeft GaAs LED’s een duidelijk voordeel boven die van silicium.

Een groot voordeel van silicium is dat het in de echte wereld van massafabricage veel gemakkelijker is om ermee te werken. Silicium heeft een “native oxide”, siliciumdioxide (SiO2). Deze kant-en-klare isolator is van onschatbare waarde bij de fabricage van siliciumelementen. GaAs heeft geen analoog.

Op het ogenblik van dit schrijven worden siliciumprocédés tot op het niveau van zeven nanometer ontwikkeld. 500 nanometer is ongeveer zo laag als GaAs op dit moment kan gaan. En hoewel GaAs snel is, kost het energie. Voor gewone logica op midden- en lage snelheid kan silicium dus nog steeds de te volgen weg zijn.

Galliumnitride en siliciumcarbide

Zoals hieronder beschreven, hebben siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) bandgaps die aanzienlijk groter zijn dan die van silicium of GaAs.

Vergelijking van bandgaps

Materiaal	Bandgap
Silicium (Si)	1.1 elektronvolt (eV)
Galliumarsenide (GaAs)	1.4 elektronvolt (eV)
Silicon Carbide (SiC)	3.0 elektronvolt (eV)
Gallium Nitride (GaN)	3.4 elektronvolt (eV)

Siliciumcarbide kan worden gebruikt om vermogens-MOSFET’s te bouwen voor hoogspannings-, hoogvermogenstoepassingen die bij hoge frequentie werken. Zij kunnen hoge temperaturen verdragen en kenmerken RDS (op) waarden die met temperatuur stabiel zijn. RDS is de weerstand tussen drain en source, een uiterst kritische parameter in elke vermogenstoepassing.

Figuur 2. Siliciumcarbide. Afbeelding (gewijzigd) met dank aan de Universiteit van Munster.

Galliumnitride heeft een nog hogere bandgap dan siliciumcarbide en ook een hogere elektronenmobiliteit. De inherent lagere uitvoer- en poortcapaciteiten van de technologie maken een hogesnelheidswerking verder mogelijk. GaN-apparaten hebben niet de lichaamsdiode die inherent is aan siliciumgebaseerde apparaten. Dit elimineert terugwinningsverliezen, verhoogt de operationele efficiëntie en vermindert EMI.

Figuur 3. Galliumnitride. Afbeelding met dank aan de universiteit van Bristol.

Siliciumcarbide kan worden gebruikt om vermogens-MOSFET’s te bouwen voor hoogspannings-, hoogvermogenstoepassingen die werken bij hoge frequenties. Zij kunnen hoge temperaturen verdragen en kenmerken RDS (op) waarden die met temperatuur stabiel zijn. RDS is de weerstand van drain naar source, een uiterst kritische parameter in elke vermogenstoepassing.

Galliumnitride heeft een nog hogere bandgap dan siliciumcarbide en hogere elektronenmobiliteit, ook. De inherent lagere uitvoer- en poortcapaciteiten van de technologie maken een snelle werking verder mogelijk. Bij GaN-apparaten ontbreekt de lichaamsdiode die inherent is aan op silicium gebaseerde apparaten. Dit dient om terugwinningsverlies te elimineren, operationele efficiency te verhogen, en EMI te verminderen.

The LMG3410R050 GaN Device van Texas Instruments

TI’s benadering is om gate driver circuits samen met een 600V GaN transistor op te nemen. De LMG341xR050’s (PDF) inherente voordelen ten opzichte van silicium MOSFET’s omvatten ultralage ingangs- en uitgangscapaciteiten voor hogesnelheidswerking. Vermindering van het schakelverlies door nul-terugwinning is een ander voordeel.

Figuur 4. De LMG3410R050. Image courtesy of Texas Instruments.

GaN-apparaten zoals de LMG3410R050 hebben geen omgekeerde herstelverliezen omdat er, in tegenstelling tot silicium MOSFETS, geen PN-junctie is tussen bron en drain.

De geïntegreerde gate driver is speciaal afgestemd op het GaN apparaat voor snel aansturen zonder ringing op de gate. Het bespaart tijd, ruimte en BOM kosten voor OEM’s en beschermt tegen fouten door het verstrekken van over-stroom en over-temperatuur bescherming.

Cree’s Billion Dollar Commitment to SiC MOSFETS

In de wereld van de hoge bandgap halfgeleiders, SiC is een andere krachtige mededinger, zoals blijkt uit Cree’s inzet voor de technologie.

Cree biedt veel SiC MOSFET’s, waaronder de C2M0045170D. Dit apparaat is geschikt voor 1700 V en 72 A. De maximale junctietemperatuur bedraagt 150°C. Belangrijk is dat hij een RDS (on) heeft van slechts 45 milliohms.

De CAB450M12XM3 (PDF) van het bedrijf is een 1200V, 450A siliciumcarbide halfbrugmodule.

Figuur 5. De CAB450M12XM3. Afbeelding met dank aan Cree-Wolfspeed (PDF).

Continuous junction werking bij 175°C is mogelijk. Dit high-power apparaat is ontworpen voor:

• Motor en tractie rives
• Snelladers voor voertuigen
• Uninterruptible power supplies

Gallium Arsenide LED’s

Deze apparaten worden vaker aangeboden in wafers, maar Vishay biedt de TSUS4300 (PDF), een discrete GaAs LED straalt bij 950 nanometer. Een van hun specificaties is dat ze bieden “goede spectrale matching met Si fotodetectoren,” voorbode van het centrale punt van onze volgende paragraaf hieronder.

Is Gallium Arsenide een betere keuze dan Silicium?

We hebben een aantal algemeenheden en algemene kenmerken besproken, maar ontwerpers moeten zorgvuldig de specifieke behoeften van specifieke ontwerpen te analyseren en niet hun materiaalkeuze te maken op basis van vooringenomen opvattingen. Soms zal het antwoord niet zijn wat aanvankelijk werd verwacht.

In een artikel geschreven door Theresa Corrigan van Analog Device, worden N-kanaals CMOS MOSFET’s afgezet tegen GaAs-apparaten wanneer ze dienen als breedbandige (900 MHz en hoger) elektronische schakelaars.

De voordelen van GaAs

• Lage aan-weerstand
• Lage uit-capaciteits
• Hoge lineariteit bij hoge frequenties