GaN کی مہلک خامی۔

جیسا کہ دنیا سیمی کنڈکٹر فیلڈ میں نئے مواقع تلاش کر رہی ہے،گیلیم نائٹرائڈ (GaN)مستقبل کی طاقت اور RF ایپلی کیشنز کے لیے ایک ممکنہ امیدوار کے طور پر کھڑا ہے۔ تاہم، اس کے متعدد فوائد کے باوجود، GaN کو ایک اہم چیلنج کا سامنا ہے: P-type مصنوعات کی عدم موجودگی۔ کیوں ہےGaNاگلے بڑے سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر سراہا گیا، کیوں P-type GaN آلات کی کمی ایک اہم خرابی ہے، اور مستقبل کے ڈیزائن کے لیے اس کا کیا مطلب ہے؟

کیوں ہےGaNاگلے بڑے سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر سراہا گیا؟

الیکٹرانکس کے دائرے میں، پہلی الیکٹرانک ڈیوائسز کے مارکیٹ میں آنے کے بعد سے چار حقائق برقرار ہیں: انہیں ہر ممکن حد تک چھوٹا بنانے کی ضرورت ہے، جتنا ممکن ہو سستا، جتنا ممکن ہو زیادہ سے زیادہ پاور پیش کریں، اور زیادہ سے زیادہ بجلی استعمال کریں۔ یہ دیکھتے ہوئے کہ یہ تقاضے اکثر ایک دوسرے سے متصادم ہوتے ہیں، چاروں تقاضوں کو پورا کرنے والا کامل الیکٹرانک ڈیوائس بنانے کی کوشش کرنا ایک خواب جیسا لگتا ہے۔ تاہم، اس نے انجینئرز کو اسے حاصل کرنے کی کوشش کرنے سے نہیں روکا ہے۔

ان چار رہنما اصولوں کو بروئے کار لاتے ہوئے، انجینئرز نے مختلف قسم کے بظاہر ناممکن کاموں کو پورا کرنے میں کامیاب کیا ہے۔ کمپیوٹر کمرے کے سائز کی مشینوں سے چاول کے دانے سے چھوٹے چپس تک سکڑ گئے ہیں، اسمارٹ فونز اب وائرلیس کمیونیکیشن اور انٹرنیٹ تک رسائی کو قابل بناتے ہیں، اور ورچوئل رئیلٹی سسٹمز کو اب میزبان کے بغیر پہنا اور استعمال کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، جیسا کہ انجینئرز سلیکون جیسے عام طور پر استعمال ہونے والے مواد کی طبعی حد تک پہنچ رہے ہیں، آلات کو چھوٹا بنانا اور کم بجلی استعمال کرنا مشکل ہوتا جا رہا ہے۔

اس کے نتیجے میں، محققین مسلسل نئے مواد کی تلاش میں رہتے ہیں جو ممکنہ طور پر اس طرح کے عام مواد کی جگہ لے سکیں اور چھوٹے، زیادہ موثر آلات پیش کرتے رہیں۔گیلیم نائٹرائڈ (GaN)ایک ایسا مواد ہے جس نے خاصی توجہ حاصل کی ہے، اور سلیکون کے مقابلے میں اس کی وجوہات واضح ہیں۔

کیا بناتا ہےگیلیم نائٹرائڈغیر معمولی موثر؟

سب سے پہلے، GaN کی برقی چالکتا سلکان کے مقابلے میں 1000 گنا زیادہ ہے، جو اسے زیادہ کرنٹ پر کام کرنے کے قابل بناتی ہے۔ اس کا مطلب ہے۔GaNڈیوائسز ضرورت سے زیادہ گرمی پیدا کیے بغیر نمایاں طور پر زیادہ پاور لیول پر چل سکتی ہیں، جس سے انہیں دی گئی پاور آؤٹ پٹ کے لیے چھوٹا بنایا جا سکتا ہے۔

سلیکون کے مقابلے GaN کی قدرے کم تھرمل چالکتا کے باوجود، اس کے حرارت کے انتظام کے فوائد ہائی پاور الیکٹرانکس میں نئی ​​راہیں ہموار کرتے ہیں۔ یہ خاص طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے بہت اہم ہے جہاں جگہ بہت زیادہ ہے اور کولنگ سلوشنز کو کم سے کم کرنے کی ضرورت ہے، جیسے ایرو اسپیس اور آٹوموٹو الیکٹرانکس میں۔GaNآلات کی اعلی درجہ حرارت پر کارکردگی کو برقرار رکھنے کی صلاحیت سخت ماحول کی ایپلی کیشنز میں ان کی صلاحیت کو مزید اجاگر کرتی ہے۔

دوم، GaN کا بڑا بینڈ گیپ (1.1eV کے مقابلے میں 3.4eV) اسے ڈائی الیکٹرک بریک ڈاؤن سے پہلے زیادہ وولٹیج پر استعمال کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ نتیجتاً،GaNنہ صرف زیادہ طاقت فراہم کرتا ہے بلکہ اعلی کارکردگی کو برقرار رکھتے ہوئے زیادہ وولٹیج پر بھی کام کر سکتا ہے۔

ہائی الیکٹران کی نقل و حرکت بھی اجازت دیتی ہے۔GaNاعلی تعدد پر استعمال کیا جائے۔ یہ عنصر GAN کو RF پاور ایپلی کیشنز کے لیے ضروری بناتا ہے جو GHz حد سے اوپر کام کرتی ہے، جسے سلکان سنبھالنے کے لیے جدوجہد کرتا ہے۔ تاہم، تھرمل چالکتا کے لحاظ سے، سلکان قدرے بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتا ہے۔GaN، یعنی سیلیکون ڈیوائسز کے مقابلے GaN ڈیوائسز میں تھرمل ضروریات زیادہ ہوتی ہیں۔ نتیجے کے طور پر، تھرمل چالکتا کی کمی چھوٹے بنانے کی صلاحیت کو محدود کرتی ہے۔GaNہائی پاور آپریشنز کے لیے آلات، کیونکہ گرمی کی کھپت کے لیے بڑے مادی حجم کی ضرورت ہوتی ہے۔

کی مہلک خامی کیا ہے؟GaNP قسم کی کمی؟

اعلی طاقت اور اعلی تعدد پر کام کرنے کے قابل سیمی کنڈکٹر کا ہونا بہترین ہے۔ تاہم، اپنے تمام فوائد کے باوجود، GaN میں ایک بڑی خامی ہے جو بہت سے ایپلی کیشنز میں سلیکون کو تبدیل کرنے کی صلاحیت کو سنجیدگی سے روکتی ہے: P-type GaN آلات کی کمی۔

ان نئے دریافت شدہ مواد کا ایک بنیادی مقصد کارکردگی کو نمایاں طور پر بہتر بنانا اور زیادہ پاور اور وولٹیج کی حمایت کرنا ہے، اور اس میں کوئی شک نہیں کہ کرنٹGaNٹرانجسٹر اس کو حاصل کر سکتے ہیں۔ تاہم، اگرچہ انفرادی GaN ٹرانزسٹرز واقعی کچھ متاثر کن خصوصیات فراہم کر سکتے ہیں، حقیقت یہ ہے کہ تمام موجودہ تجارتیGaNآلات N قسم کے ہوتے ہیں ان کی کارکردگی کی صلاحیتوں کو متاثر کرتے ہیں۔

یہ سمجھنے کے لیے کہ ایسا کیوں ہے، ہمیں یہ دیکھنا ہوگا کہ NMOS اور CMOS منطق کیسے کام کرتی ہے۔ ان کے سادہ مینوفیکچرنگ کے عمل اور ڈیزائن کی وجہ سے، NMOS منطق 1970 اور 1980 کی دہائیوں میں ایک بہت مشہور ٹیکنالوجی تھی۔ N-type MOS ٹرانزسٹر کے پاور سپلائی اور ڈرین کے درمیان جڑے ایک واحد ریزسٹر کا استعمال کرتے ہوئے، اس ٹرانجسٹر کا گیٹ MOS ٹرانجسٹر کے ڈرین وولٹیج کو کنٹرول کر سکتا ہے، مؤثر طریقے سے NOT گیٹ کو نافذ کر سکتا ہے۔ جب دوسرے NMOS ٹرانزسٹروں کے ساتھ ملایا جائے تو، تمام منطقی عناصر، بشمول AND، OR، XOR، اور latches بنائے جا سکتے ہیں۔

تاہم، اگرچہ یہ ٹیکنالوجی آسان ہے، یہ طاقت فراہم کرنے کے لیے ریزسٹرس کا استعمال کرتی ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ جب NMOS ٹرانزسٹر چلتے ہیں تو ریزسٹروں پر بجلی کی ایک خاص مقدار ضائع ہوتی ہے۔ ایک انفرادی گیٹ کے لیے، یہ بجلی کا نقصان کم سے کم ہے، لیکن جب ایک چھوٹے سے 8 بٹ CPU تک پیمانہ کیا جائے تو، یہ بجلی کا نقصان جمع ہو سکتا ہے، آلہ کو گرم کر سکتا ہے اور ایک چپ پر فعال اجزاء کی تعداد کو محدود کر سکتا ہے۔

NMOS ٹیکنالوجی CMOS میں کیسے تیار ہوئی؟

دوسری طرف، CMOS P-type اور N-type transistors کا استعمال کرتا ہے جو مخالف طریقوں سے ہم آہنگی سے کام کرتے ہیں۔ CMOS لاجک گیٹ کی ان پٹ حالت سے قطع نظر، گیٹ کا آؤٹ پٹ پاور سے زمین تک کنکشن کی اجازت نہیں دیتا ہے، جس سے بجلی کے نقصان کو نمایاں طور پر کم کیا جاتا ہے (بالکل اسی طرح جب N-type کنڈکٹ کرتا ہے، P-type insulates، اور اس کے برعکس)۔ درحقیقت، CMOS سرکٹس میں بجلی کا واحد حقیقی نقصان ریاستی تبدیلیوں کے دوران ہوتا ہے، جہاں تکمیلی جوڑوں کے ذریعے طاقت اور زمین کے درمیان ایک عارضی رابطہ قائم ہوتا ہے۔

کی طرف لوٹ رہے ہیں۔GaNڈیوائسز، چونکہ فی الحال صرف N-type ڈیوائسز موجود ہیں، اس لیے صرف دستیاب ٹیکنالوجی ہے۔GaNNMOS ہے، جو فطری طور پر طاقت کا بھوکا ہے۔ یہ آر ایف ایمپلیفائرز کے لیے کوئی مسئلہ نہیں ہے، لیکن یہ لاجک سرکٹس کے لیے ایک بڑی خرابی ہے۔

چونکہ عالمی سطح پر توانائی کی کھپت میں اضافہ ہوتا جا رہا ہے اور ٹیکنالوجی کے ماحولیاتی اثرات کی باریک بینی سے جانچ پڑتال کی جا رہی ہے، الیکٹرانکس میں توانائی کی کارکردگی کا حصول پہلے سے کہیں زیادہ اہم ہو گیا ہے۔ NMOS ٹیکنالوجی کی بجلی کی کھپت کی حدود اعلی کارکردگی اور اعلی توانائی کی کارکردگی پیش کرنے کے لیے سیمی کنڈکٹر مواد میں پیش رفت کی فوری ضرورت کو اجاگر کرتی ہیں۔ پی قسم کی ترقیGaNیا متبادل تکمیلی ٹیکنالوجیز اس تلاش میں ایک اہم سنگِ میل کی نشاندہی کر سکتی ہیں، جو ممکنہ طور پر توانائی کی بچت والے الیکٹرانک آلات کے ڈیزائن میں انقلاب برپا کر سکتی ہیں۔

دلچسپ بات یہ ہے کہ پی قسم کی تیاری مکمل طور پر ممکن ہے۔GaNآلات، اور یہ نیلے ایل ای ڈی روشنی کے ذرائع میں استعمال کیے گئے ہیں، بشمول بلو رے۔ تاہم، اگرچہ یہ آلات آپٹو الیکٹرانک ضروریات کے لیے کافی ہیں، لیکن یہ ڈیجیٹل منطق اور پاور ایپلی کیشنز کے لیے مثالی نہیں ہیں۔ مثال کے طور پر، پی قسم کی تیاری کے لیے واحد عملی ڈوپینٹGaNآلات میگنیشیم ہیں، لیکن ضرورت کے زیادہ ارتکاز کی وجہ سے، ہائیڈروجن آسانی سے اینیلنگ کے دوران ڈھانچے میں داخل ہو سکتی ہے، جس سے مواد کی کارکردگی متاثر ہوتی ہے۔

لہذا، پی قسم کی غیر موجودگیGaNآلات انجینئرز کو سیمی کنڈکٹر کے طور پر GaN کی صلاحیت کا مکمل فائدہ اٹھانے سے روکتا ہے۔

مستقبل کے انجینئرز کے لیے اس کا کیا مطلب ہے؟

فی الحال، بہت سے مواد کا مطالعہ کیا جا رہا ہے، ایک اور اہم امیدوار سلکان کاربائڈ (SiC) کے ساتھ. پسندGaN، سلکان کے مقابلے میں، یہ زیادہ آپریٹنگ وولٹیج، زیادہ خرابی وولٹیج، اور بہتر چالکتا پیش کرتا ہے۔ مزید برآں، اس کی اعلی تھرمل چالکتا اسے انتہائی درجہ حرارت اور نمایاں طور پر چھوٹے سائز میں استعمال کرنے کی اجازت دیتی ہے جبکہ زیادہ طاقت کو کنٹرول کرتی ہے۔

تاہم، برعکسGaN, SiC اعلی تعدد کے لیے موزوں نہیں ہے، یعنی یہ RF ایپلی کیشنز کے لیے استعمال ہونے کا امکان نہیں ہے۔ لہذا،GaNچھوٹے پاور ایمپلیفائر بنانے کے خواہاں انجینئرز کے لیے ترجیحی انتخاب ہے۔ پی قسم کے مسئلے کا ایک حل یکجا کرنا ہے۔GaNپی قسم کے سلکان ایم او ایس ٹرانجسٹر کے ساتھ۔ اگرچہ یہ تکمیلی صلاحیتیں فراہم کرتا ہے، لیکن یہ فطری طور پر GaN کی تعدد اور کارکردگی کو محدود کرتا ہے۔

جیسے جیسے ٹیکنالوجی ترقی کرتی ہے، محققین کو بالآخر P-type مل سکتا ہے۔GaNمختلف ٹیکنالوجیز استعمال کرنے والے آلات یا تکمیلی آلات جنہیں GaN کے ساتھ ملایا جا سکتا ہے۔ تاہم، جب تک وہ دن نہیں آتا،GaNہمارے وقت کی تکنیکی حدود کی وجہ سے محدود رہیں گے۔

سیمی کنڈکٹر ریسرچ کی بین الضابطہ نوعیت، جس میں میٹریل سائنس، الیکٹریکل انجینئرنگ، اور فزکس شامل ہیں، کی موجودہ حدود پر قابو پانے کے لیے درکار تعاونی کوششوں کی نشاندہی کرتی ہے۔GaNٹیکنالوجی پی قسم کی ترقی میں ممکنہ کامیابیاںGaNیا مناسب تکمیلی مواد تلاش کرنا نہ صرف GaN پر مبنی آلات کی کارکردگی کو بڑھا سکتا ہے بلکہ وسیع تر سیمی کنڈکٹر ٹیکنالوجی کے منظر نامے میں بھی حصہ ڈال سکتا ہے، جس سے مستقبل میں زیادہ موثر، کمپیکٹ، اور قابل اعتماد الیکٹرانک سسٹمز کی راہ ہموار ہوتی ہے۔**

ہم Semicorex میں تیار اور سپلائی کرتے ہیں۔GaNEpi-wafers اور دیگر قسم کے ویفرزسیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ میں لاگو کیا گیا ہے، اگر آپ کو کوئی پوچھ گچھ ہے یا اضافی تفصیلات کی ضرورت ہے، تو براہ کرم ہم سے رابطہ کرنے میں ہچکچاہٹ نہ کریں۔

رابطہ فون: +86-13567891907

ای میل: sales@semicorex.com