cách mạng Gali Nitride

tại SEMICON 2022 ở Đài Bắc, công ty Applied Materials có tổ chức hội thảo thông tin về bán dẫn gali nitride [GaN] là một vật liệu bán dẫn có khe-trống-năng-lượng rộng
hội thảo đã trình diện một bộ xạc điện GaN 60W

GaN và khe-trống-năng-lượng rộng
GaN cùng với cacborundum [SiC] đều là những vật liệu có khe-trống-năng-lượng lớn và ưa dùng trong ngành bán dẫn
tóm tắt: tất cả vật liệu đều có khe-trống-năng-lượng là vùng đệm để điện tử electron nhảy khỏi vùng hoá trị và vào vùng dẫn điện, vật liệu được gọi là có khe-trống-năng-lượng lớn là vì có vùng đệm rộng hơn silic
khe-trống-năng-lượng của GaN là 3.49 electron Volt còn SiC là 3.25 trong khi silic chỉ là 1.1
GaN dẫn nhiệt tốt, cho nên vật liệu chịu được nhiệt và điện áp cao

Khởi đầu
GaN mới đầu là một vật liệu cho quang điện tử: điốp phát quang, đèn laser, màn hình...
sơ lược, điốp phát quang được làm từ một chiếc bánh mỳ kẹp hai vật liệu trên một mặt bàn, mặt bàn là chất nền, một lát bánh mỳ được pha tạp [dope] với một chất nền khác để lát bánh mỳ có thể dư dả quyên góp điện tử electron - lát bánh mỳ sẽ được gọi là lớp loại-N
lát bánh mỳ kia sẽ được pha tạp với chất nền khác để nhận quyên góp electron, bằng cách chứa những lỗ trống điện tử, lát bánh mỳ được gọi là lớp loại-P
nằm giữa 2 lát bánh mỳ là lớp chuyển tiếp P-N: áp dụng một trường điện lên lớp chuyển tiếp và điện tử electron và lỗ trống electron sẽ tái hợp và tạo nên ánh sáng
màu sắc của ánh sáng tạo thành là tuỳ theo khe-trống-năng-lượng của vật liệu bán dẫn
dần dần, các nhà khoa học đã có thể tạo nên điốp phát quang màu đỏ và màu xanh nhưng nếu ta muốn tạo ra ánh sáng trắng hoặc hình ảnh chân thực, bao phủ toàn bộ sắc thái thì ta sẽ cần màu xanh dương
mới đầu, những nỗ lực tạo ra điốp phát quang xanh dương là sử dụng silic carbine [SiC] nhưng bản thân silic thì có một khe-trống-năng-lượng gián tiếp và do đó không phát quang
GaN là một ứng viên thích hợp nhưng mới đầu đã gặp một số khó khăn, trong đó đáng kể nhất có lẽ là người ta không thể sản xuất được tinh thể GaN chất lượng cao trên bề mặt một chất nền
nếu tăng trưởng tinh thể bị lỗi, hoặc tăng trưởng trên bề mặt của chất nền không đúng thì sẽ gây ra lệch lưới mắt cáo, như 2 mảnh lego không khớp nhau và gây ra sai trật và gãy
năm 1983 một nhóm các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm kỹ thuật điện của Nhật Bản đã thử ý tưởng dàn ra một lớp vùng đệm nhôm nitride giữa một tấm màng gali nitride và chất nền saphir
năm 1986 một nhóm người Nhật khác do Hiroshi Amano dẫn dắt đã khám phá thêm ý tưởng ấy bằng cách tăng trưởng lớp vùng đệm nhôm nitride ấy trong môi trường nhiệt độ thấp
năm 1991 Shuji Nakamura của công ty Nichia đã thay thế lớp đệm nhôm nitride bằng một lớp gali nitride khác nhưng tăng trưởng ở nhiệt độ thấp, đã mang lại hiệu quả
cùng với thành công của pha-tạp-P [p-doping] GaN, đã đưa đến phát minh điôp phát quang xanh dương và bùng nổ những ứng dụng quang điện tử như điốp phát quang trắng, đèn laser và màn hình
thành tựu đã giúp Nakamura, Amano và Isamu Akasaki giành giải Nobel vật lý năm 2014

GaN trong tần số vô tuyến
giống như nhiều trường hợp khác, ứng dụng quân sự đã thúc đẩy giai đoạn áp dụng tiếp theo của kỹ thuật gali nitride
đồ điện tử bán dẫn tần số vô tuyến, chạy trong những tần số vi sóng nhỏ cỡ micromét và milimét, đóng vai trò thiết yếu cho hệ thống radar [phát hiện và định vị bằng sóng vô tuyến], chiến tranh điện tử và thiết bị liên lạc - thường chiếm gần một nửa tổng chi phí của hệ thống
những đặc điểm ổn định nhiệt và điện tử của GaN đã khiến nó thành lựa chọn hấp dẫn cho quân đội, để khắc phục trở ngại và cải thiện thiết bị
cho nên, ngành đã áp dụng bóng bán dẫn linh động điện tử cao [high electron mobility transistor / HEMT] phát minh năm 1977 ở Nhật Bản, có thể thực hiện với GaN hoặc một trong những hợp kim của GaN để tạo ra bộ khuếch đại công suất cao
nhờ GaN được ứng dụng vào ngành tần số vô tuyến quân sự, ngành đã áp dụng được HEMT và sau đó mở đường vào thị trường lớn tiếp theo cho vật liệu GaN: ngành điện tử điện lực

Khe-trống-năng-lượng rộng và điện
điện tử điện lực là một kỹ thuật đã âm thầm giúp kiểm soát và chuyển đổi năng lượng điện
những chất bán dẫn cho điện lực dựa trên silic đã thống trị ngành cả thập kỷ
nhưng silic có khe-trống-năng-lượng hẹp nên những thiết bị điện tử ấy có đặc điểm vật lý bị giới hạn mật độ và hạn chế hiệu năng lý tưởng cho những ứng dụng điện áp thấp - dưới 600 volt
đây là cơ hội cho GaN và cacborundum
mới đầu, cacborundum trưởng thành sớm hơn, dễ nuôi trưởng tinh thể hơn, truyền nhiệt tốt hơn nên dễ tản nhiệt, cho nên trở nên lợi thế cho những ứng dụng nhất định: xe điện, đường sắt, cối xay gió, lưới điện... những ứng dụng điện áp từ 1200 volt trở lên
ví dụ chiếc Tesla Model 3 có bộ biến tần dựa trên cacborundum, ra mắt năm 2018
GaN thua thiệt hơn cacborundum trong một số ứng dụng cụ thể, nhưng GaN HEMT xuất hiện đã đưa đến một lợi thế khủng
vì khả năng của HEMT có thể di chuyển nhiều điện tử electron hơn, ta có thể làm mỗi một chip [die] nhỏ hơn nhiều, vì thế những linh kiện có điện áp dưới 650 volt thì bộ phận GaN có thể làm dày đặc hơn và xử lý những tần số bật/tắt nhanh hơn

Bộ sạc điện GaN
điện thoại di động và những đồ điện tử tiêu dùng đang áp dụng những chức năng như màn hình lớn hơn và mạng 5G - cần pin lớn hơn
năm 2007 Apple ra mắt chiếc iPhong có màn hình rộng 3.5 inch và trang bị pin 1400 mili ampe / giờ
hơn một thập kỷ sau, ta có chiếc Samsung Galaxy Note 10+ màn hình rộng 6.8 inch và pin 4300 mili ampe / giờ
những pin này cần được sạc, đã nâng kích cỡ bộ sạc từ bộ chuyển đổi điện áp [adapter] 5w đi kèm với iPhone lên thành 25w rồi thậm chí 50w
nếu ta thử sử dụng cái sạc 5w của Apple hồi trước để sạc điện thoại ngày nay thì chờ dài cổ
người dùng không vui vẻ gì phải kè kè cái điện thoại có cục pin to, cũng không ưa việc đợi sạc, thì công nghệ GaN xuất hiện như gãi đúng chỗ ngứa, và ngành đã nhanh chóng chuyển đổi từ silic sang GaN
cuộc chuyển đổi bắt đầu với bộ sạc cắm ổ điện 24 đến 65 watt dựa trên GaN từ các công ty làm pin và giải pháp điện như Anker, Aukey và RAVpower trong nửa cuối năm 2018
quý 4 năm 2019 hãng Oppo đã sử dụng GaN cho bộ sạc flash và bộ chuyển đổi điện áp SuperVOOC 2.0 - bước ngoặt đã khiến những hãng khác như Xiaomi và RealMe làm theo
Apple kẹt sỉ không bán sạc kèm iPhone nữa, nhưng năm 2021 công ty đã xác nhận sạc 140 watt kèm với sản phẩm máy tính xách tay macbook pro của hãng là sạc GaN - bộ sạc được làm từ linh kiện công ty GaN Systems trụ sở Canada bán ra, công ty có mở văn phòng ở Đài Loan

Thị trường lớn dần
thị trường sạc điện thoại qua cổng usb trên toàn cầu thì lớn, với từ 1 đến 1.2 tỷ điện thoại thông minh không phải hãng Apple bán ra mỗi năm
Gali nitride cũng có cơ hội tiếm thị phần của silic trong điện tử điện năng và bộ sạc cho những máy tính xách tay và đồ gia dụng
cả các trung tâm dữ liệu, với 40% chi phí vận hành các trung tâm dữ liệu là tiền điện, các công ty sẽ muốn tiết kiệm càng nhiều càng tốt
xu thế mới đây là sử dụng mạng lưới điện một chiều - không có chuyển đổi giữa một chiều và xoay chiều - để loại bỏ thất thoát chuyển đổi điện và tăng hiệu năng
xu thế cần những đồ điện tử điện lực DC/DC điện áp cao để tăng hoặc giảm áp, thích hợp cho gali nitride
cuối cùng là pin xe điện

Sản xuất
rõ ràng, gali nitride là một chất bán dẫn quan trọng có tương lai xán lạn
so sánh giữa gali nitride và silic carbide [carborundum] thì nhược điểm của gali nitride là khó sản xuất hơn nhiều
ta không thể tăng trưởng tinh thể của cả 2 bằng phương pháp Czochralski, và do đó không thể tận dụng tiêu chuẩn và thực tiễn đã có của thiết bị silic
nhưng silic carbide có lợi thế hơn gali nitride ở chỗ ta có thể dễ dàng nuôi trưởng dược một lớp dày chất này lên trên, nghĩa là ta có thể sử dụng silic carbide làm tấm nền cho silic carbide - gọi là homoepitaxy trong đó epitaxy là công đoạn lắng những lớp tinh thể lên trên một cái gì đó

Epitaxy
với gali nitride thì epitaxy không dễ khả thi vì làm tấm nền GaN khó
GaN có nhiệt độ nóng chảy cao đến 2000 độ C và áp suất cân bằng 6 vạn bar - nghĩa là ta không thể tạo được dung dịch tan chảy để làm tinh thể
nên người ta tìm cách khác, hứa hẹn nhất là phương pháp ammonothermal: ta phân huỷ GaN thành amoniac ở nhiệt độ và áp suất rất cao để nuôi tăng trưởng lên một mầm tinh thể nhỏ
nhược điểm của phương pháp ammonothermal là phức tạp, tốc độ tăng trưởng chậm và tinh thể thu được dễ bị khuyết tật
vì ngành không thể làm được phương pháp homoepitaxy ở quy mô lớn, cách thứ 2 khả thi nhất là tăng trưởng những lớp GaN lên trên một chất nền khác: cách gọi là heteroepitaxy
nhớ lại chiếc điốp phát quang xanh dương đầu tiên, ta phải nuôi trưởng GaN lên trên GaN lên trên những chất nền saphir
những chất nền saphir nhỏ, ngày nay, vẫn được sử dụng cho quang điện tử - những chất nền này nhỏ, chỉ 100 milimét chiều rộng - không dễ tăng quy mô
saphir là đá quý, cho nên sử dụng làm chất nền để tăng quy mô sản xuất GaN thì không hiểu quả kinh tế lắm khi sản xuất đồ điện tử rẻ tiền như sạc điện thoại qua cổng usb
ngành đã thử nghiệm với những chất nền khác như silic và slic carbide
cũng có những chất nền đã được đăng ký độc quyền khác như chất nền QST của công ty Qromis trụ sở thung lũng Silicon
công ty Shin-Etsu làm tấm wafer của Nhật Bản mới đây đã đăng ký [mua] bản quyền kỹ thuật QST, được tuyên bố là để tăng quy mô lên cỡ đĩa wafer 12 inch
xưởng chuyên fab là Vanguard Semiconductor trụ sở Đài Loan là công ty con của TSMC có vẻ đang sử dụng QST nhiều

Kết
tăng quy mô của những phương pháp sản xuất GaN cho quang điện tử đã mở khoá cơ hội mới trong những lĩnh vực điện tử khác
cách mạng GaN cũng đang nhanh chóng lan ra thị trường, công nghệ bên trong điốp phát quang xanh dương cũng sẽ giúp làm sạc cắm ổ điện tốt hơn cho điện thoại và đồ điện tử điện lực cho xe điện và trung tâm dữ liệu
có lẽ sẽ có những ứng dụng nữa, vì GaN vẫn mới và còn tiềm năng để khám phá