Galyum Nitrat (GaN), sert, mekanik olarak kararlı ve geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir. Daha yüksek voltajları iletebilir ve silikon bazlı cihazlardan daha iyi performans gösterir. Bunun nedeni, GaN’ın daha hızlı anahtarlama hızına, yüksek termal iletkenliğe ve daha düşük direnç göstermesine sahip olmasıdır. GaN teknolojisi, yarı iletken güç cihazları (örneğin, şarj makineleri), RF bileşenleri ve LED ışıklarının üretiminde kullanılır.
Galyum Nitrat kristalleri, Safir ve Silisyum Karbür (SiC) gibi çeşitli alt tabakalar üzerinde büyütülebilir. GaN epi katmanı silikon üzerinde büyütüldüğünde, maliyetli özel üretim gereksinimlerini azaltır ve düşük maliyetle temin edilebilen silikon levhalardan yararlanılır. Bu, GaN teknolojisinin üretim maliyetlerini düşürür.
GaN cihazlarının üretim maliyeti silikon bazlı cihazlardan daha yüksek olsa da MOSFET cihazlarının üretim maliyetinden daha düşüktür. Bunun nedeni, GaN cihazlarının, standart silikon üretim süreçlerinden sapmadan, silikon yarı iletkenleri üreten fabrikalarda üretilebilmesidir. Cihazlar küçük olmasına rağmen, işlevsel performansları çok daha iyidir.
Galyum Nitrat (GaN) Tarihçesi:
Galyum, yarı iletken olarak ilk kez 1875 yılında Fransız bilim insanı Paul Emile Lecoq de Boisbaudran tarafından keşfedildi. Bu keşif, Mendeleev’in periyodik tablosundaki boşluğu doldurdu. Galyum nitrat (GaN) ise 1938 yılında, sıcak galyum elementinin üzerinden amonyak geçirilerek küçük çapta kristalleştirilmesi yoluyla elde edildi.
GaN, öncelikle LED alanında kullanılmaya başlandı. 1999 yılında Amerika Birleşik Devletleri Ordusu Araştırma Laboratuvarı’nda yapılan bir elektron hızı testi sonrasında büyük bir öneme sahip oldu. Bu test, GaN içinde elektronların çok yüksek hızda (300 K’de 1500 cm²/(V·s)) hareket ettiğini gösterdi.
İlk GaN malzemeler, 2006 yılında GaN HEMT (Yüksek Elektron Hareketliliği Transistörleri) olarak tanıtılmaya başlandı. 2008’den itibaren ise bildiğimiz anlamda MOSFET olarak kullanıma sunuldular.
Silikon, SiC ve GaN madde özellikleri karşılaştırma tablosu aşağıda görülebilir.
Yukarıdaki tabloya bakıldığında, bant aralığı ve elektrik kırılım dayanımı açısından GaN’ın SiC ile büyük bir farkı olmadığı söylenebilir. Ancak GaN’ı diğer malzemelerden ayıran en önemli özellik, yüksek hızda elektron taşıma kapasitesidir. Bu da elemanın çok yüksek hızda açılıp kapanabilmesi anlamına gelmektedir.
Galyum Nitrat (GaN Yarı İletken Teknolojisinde Nasıl Kullanılır?
Yukarıdaki örnekte, aynı gerilim, akım ve iç direnç değerlerine sahip klasik Si ve GaN MOSFET’lerin kapanış hızları gösterilmiştir. Bu önemli fark, özellikle anahtarlama kayıplarını ciddi oranda azalttığından, devrelerin çok daha yüksek frekanslarda çalışabilmesini sağlar. Bu nedenle, diğer özellikleri SiC’ye benzese de GaN, yüksek frekanslı uygulamalarda tercih edilen bir eleman haline gelir. Özellikle askeri alanda dikkat çekmesinin nedeni, radar gibi yüksek güç gerektiren sistemlerde kullanılabilmektedir.
GaN, her ne kadar hızlı anahtarlama yapmaya uygun bir eleman olsa da, hızlı anahtarlamayı etkileyen stray endüktans ve parazitik kapasiteler gibi nedenlerden dolayı mekanik bağlantı yapılarının değiştirilmesi gerekmektedir, bu da güç değerlerinin kısıtlı olmasına yol açar. Ayrıca, yüksek anahtarlama özelliklerini ön plana çıkarabilmek adına gerilim değerlerinin üst sınırı 900V civarındadır. Bu kısıt nedeniyle, yukarıdaki tabloda görüleceği gibi, GaN yüksek güç değerli uygulamalarda Si ve SiC cihazların gerisinde kalmaktadır.
Galyum Nitrat (GaN) Avantajları Nelerdir?
- Yüksek Elektron Hareketliliği:
Verimli Performans: GaN, yüksek elektron hareketliliği sayesinde daha hızlı anahtarlama hızları ve daha düşük enerji kaybı sağlar. Bu, özellikle yüksek frekanslı ve yüksek güçlü uygulamalarda önemlidir. - Geniş Bant Aralığı:
Daha Yüksek Enerji Verimliliği: GaN’ın geniş bant aralığı (3.4 eV), daha yüksek verimlilikte çalışmasını sağlar. Bu, özellikle LED’ler ve lazer diyotlar gibi optoelektronik cihazlarda önemli bir avantajdır.
Yüksek Sıcaklıkta Kararlılık: Geniş bant aralığı, GaN’ın yüksek sıcaklıklarda kararlı bir şekilde çalışmasını sağlar, bu da yüksek sıcaklık uygulamaları için idealdir. - Yüksek Güç Yoğunluğu:
Daha Küçük ve Hafif Tasarımlar: GaN cihazları, yüksek güç yoğunluğu sayesinde daha küçük ve hafif tasarımlara olanak tanır. Bu, özellikle taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar için avantajlıdır. - Yüksek Termal İletkenlik:
Etkili Isı Yönetimi: GaN’ın yüksek termal iletkenliği, daha iyi ısı yönetimi sağlar. Bu, cihazların daha yüksek verimlilikle ve daha uzun süre çalışmasını sağlar. - Yüksek Frekans Performansı:
Telekomünikasyon ve Radyo Frekansı Uygulamaları: GaN, yüksek frekanslı uygulamalar için idealdir. Telekomünikasyon, radyo vericileri ve mikrodalga cihazlarda yaygın olarak kullanılır. - Enerji Verimliliği:
Daha Az Enerji Tüketimi: GaN tabanlı cihazlar, silikon tabanlı cihazlara göre daha az enerji tüketir. Bu, enerji tasarrufu ve daha düşük işletme maliyetleri anlamına gelir. - Yüksek Sıcaklık Dayanımı:
Güvenilirlik: GaN, yüksek sıcaklıklarda kararlı bir şekilde çalışabilir. Bu, zorlu çevre koşullarında güvenilir performans sağlar. - Daha Uzun Ömür:
Dayanıklılık: GaN cihazları, uzun ömürlü ve dayanıklıdır. Bu, bakım maliyetlerini düşürür ve uzun vadeli güvenilirlik sağlar. - Optoelektronik Avantajlar:
Parlak ve Verimli LED’ler: GaN, mavi ve yeşil LED’lerin üretiminde kullanılır ve yüksek parlaklık ve verimlilik sağlar.
Yüksek Performanslı Lazer Diyotlar: GaN lazer diyotlar, yüksek verimlilik ve dayanıklılık sunar, bu da optik veri iletimi ve optik depolama cihazlarında önemlidir.
Yarı iletken teknolojisinde yeni malzemelerle birlikte gelecekte, yüksek frekans, yüksek güç ve yüksek gerilim gibi çeşitli uygulamalarda farklı malzeme türlerinden elemanlar kullanacağız. GaN, özellikle telekomünikasyon ve askeri alan gibi güç yoğunluğunun yüksek olduğu sektörlerde tasarımcılar tarafından kabul gördü. Üreticiler, gate sürme kısmı oldukça karmaşık olan GaN ürünleri geliştirmeye başladılar. Bu gelişmeler, GaN’ın önümüzdeki yıllarda elektronikte önemli bir oyuncu olacağını şimdiden göstermektedir. GaN’ın bu avantajları, onu modern elektronik, optoelektronik, telekomünikasyon ve güç elektroniği uygulamalarında vazgeçilmez kılmaktadır.
