GaN: bouwen aan een groenere toekomst?

Situering

Men gaat er van uit dat meer dan 60% van alle elektrische energie door één of meerdere vermogenscomponenten stroomt. De efficiëntie waarmee actieve, elektrische componenten (diodes en schakelaars of transistoren) elektrische energie omzetten heeft een enorme impact op het wereldwijde verbruik van elektriciteit. Fig. 1 geeft aan hoe belangrijk het gebruik van vermogenstransistoren is voor het onder controle houden van het verbruik van elektriciteit.

Fig. 1 Verbruik van elektriceit in de V.S. volgens verschillende scenario's.

Deze diodes en transistoren worden vandaag bijna allemaal gemaakt in één enkele halfgeleider: silicium. De Silicium-technologie bereikt echter langzaamaan zijn hoogtepunt. Zowel voor de CMOS-technologieën (i.e. de digitale, kleinvermogen-componenten), als voor de vermogenscomponenten is mijn op zoek naar alternatieven voor silicium. Wide-bandgap halfgeleiders zijn hét alternatief voor silicium voor componenten die elektrisch vermogen moeten omzetten. Zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN) lijken over de beste papieren te beschikken: beide zijn wide-bandgap halfgeleiders (3.3 eV), halen een kritisch elektrisch veld dat een tienvoud is van Si, hebben een hoge mobiliteit en saturatiesnelheid, en een relatief hoge thermische geleidbaarheid.  Daarbij komt nog dat deze wide-bandgap materialen in principe geschikt zijn om bij hogere temperaturen te werken dan silicium; een voordeel dat wel eens van primordiaal belang zou kunnen zijn in bijvoorbeeld elektrische motoren in auto’s.  Fig. 2 toont enkele belangrijke materiaalparameters van GaN, vergeleken met deze van Si en SiC.  Het is meteen duidelijk dat GaN intrinsiek over de beste kwaliteiten beschikt, dit komt ook tot uiting in de zogenaamde Figure of Merit (FOM) voor GaN.

Fig. 2 Enkele fundamentele materiaalparameters voor Si, SiC en GaN, tezamen met enkele belangrijke Figure of Merits (FOM).  GaN scoort duidelijk beter dan Si en SiC.

GaN lijkt de beste kandidaat voor het maken van elektrische schakelaars omdat het mogelijk is in dit materiaal hoge elektronmobiliteiten te halen (tot 2000 cm2/Vs) aan bepaalde heterojuncties.  Deze thesis zou zich dan ook toespitsen op “High electron mobility transitors”, kortweg HEMTs in GaN voor vermogenstoepassingen.  Fig. 3 toont een klassieke doorsnede van zo'n HEMT transistor.


Fig. 3 Doorsnede van een HEMT transistor met een 2D electron gas met hoge mobiliteit aan de AlGaN/GaN interface.


Doelstelling

Na een kennismaking met de wondere wereld van GaN en HEMTs, is het de bedoeling de literatuur te volgen en deze transistoren in detail te gaan bestuderen m.b.v. “Technology Computer Aided Design” (TCAD).  CMST heeft al een ruime ervaring in het gebied van TCAD en GaN HEMTs, waarvoor het nauw samenwerkt met imec. 

 

In samenspraak met de student kunnen er dan één of meerdere aspecten van deze HEMTs bestudeerd worden.  De bedoeling is om nauw samen te werken met imec, waar de componenten effectief gemaakt worden. Dit om tot een beter inzicht te komen omtrent de werking van deze componenten teneinde efficiënte vermogenstransistoren in GaN te realiseren.

 

Comments