Gallium nitride cho tần số vô tuyến

Dự án Wide Bandgap Semiconductor
tiến sĩ Umesh Mishra nói rằng gallium nitride giống như một món quà Chúa tặng loài người... [GaN] cứ không ngừng có công dụng mới và khiến chúng tôi thích thú "sao thứ vật liệu này hữu ích thế"
năm 1875 con một nhà buôn rượu, nhà hóa chất Francois Lecoq de Boisbaudran tách được gallium từ một mẫu khoáng vật (Gallia theo tiếng Latinh nghĩa là Pháp) ở tầng 2 nhà riêng
năm 1932 các nhà khoa học đã cho gallium tinh khiết phản ứng với khí ammonia ở nhiệt độ 1000 độ C thu được gallium nitride
gallium nitride có "khe băng năng lượng" (direct bandgap) lớn gấp 2-3 lần silic, "trường điện từ đánh thủng" cao, độ cơ động electron tốt hơn silic và silic carbide
nhược điểm gallium nitride dẫn nhiệt ở mức trung bình, và khó sản xuất hàng loạt

Đi-ốp phát quang xanh
thập niên 1960 RCA (Radio Corporation of America) nghiên cứu những hợp chất bán dẫn
chủ tịch David Sarnoff đề ra mục tiêu LED thay thế những "bóng chân không" làm màn hình tivi
nhân viên RCA sử dụng gallium arsenic và gallium phosphide sản xuất LED đỏ và xanh lá cây, nhưng vẫn cần LED xanh dương nữa mới đủ
đâu đó năm 1968-1969 James Tietjen chỉ thị nhà khoa học Herbert Maruska làm gallium nitride

Định luật Duane–Hunt
khe năng lượng gallium nitride liên hệ với bước sóng tia cực tím, cho nên gallium nitride thích hợp làm LED xanh dương
để sản xuất gallium nitride, đội ngũ RCA triển khai phương pháp "mọc ghép tinh thể đồng pha hơi-hydrua" HVPE (hydride vapor phase epitaxy)
HVPE đưa khí hydrua qua chất lỏng gallium trước khi trộn với ammonia bên trong một khoang nóng, lớp gallium nitride được cho mọc trên một nền wafer thạch anh
sau khi RCA xuất bản kết quả, Philips ứng dụng HVPE

Mối nối P-N
làm được LED xanh dương, RCA cần một mối nối (junction) giữa vùng pha-tạp-kiểu-N và vùng pha-tạp-kiểu-P
bấy giờ boron đã được dùng để pha tạp silic kiểu-P nhưng chưa tìm được nguyên tố pha tạp gallium kiểu-P, cho nên RCA thử một thiết kế khác là một thiết bị bán dẫn kim loại vật liệu cách điện MIS (metal insulator semiconductor) có gallium nitride pha-thiếc và indium vây quanh gallium nitride kiểu-N
với gallium nitride pha-thiếc, thiết kế đã sản sinh LED xanh lá cây
thay thiếc bằng magie đã sản sinh LED xanh dương
đội ngũ RCA đăng ký sáng chế MIS nhưng ít ứng dụng thương mại, vì MIS hiệu năng thấp và không đủ quy mô cho laser
năm 1971 David Sarnoff mất, James Tietjen bị buộc phải hủy dự án
RCA từ bỏ gallium nitride, đến lượt Bell Labs, Philips, Hitachi và Toshiba cũng bỏ LED xanh dương chứa-gallium-nitride sang những vật liệu khác như thiếc selenide

Buffer
HVPE sản xuất gallium nitride trên nền thạch anh, nhưng gallium nitride và thạch anh có một lệch cấu trúc tinh thể với gallium nitride, cho nên đã ra những thành phẩm có những đốm, rồi những cụm tinh thể nhìn như cái khuôn
thập niên 1960 mọc ghép gallium arsenide, các nhà khoa học đã nghĩ đến "những lớp đệm" (buffer) cho mọc trên nền để hấp thụ những lệch cấu trúc tinh thể, mang lại một nền móng đồng đều hơn cho những lớp tinh thể sau
Hiroshi Amano áp dụng ý tưởng này sang gallium nitride với một phiên bản "lắng đọng hóa hơi CVD kim loại hữu cơ" bấy giờ chưa có tên gọi, với một lớp đệm nhôm nitride ở 600 độ C

Gallium nitride kiểu-P
thập niên 1970 đội ngũ RCA chọn đúng magie, nhà khoa học Herbert Maruska thực hiện phương pháp HVPE với ammonia còn nhiều dị vật trong nước, dẫn đến những nguyên tử hydro tương tác magie tạo ra những "bẫy" ngăn cản gallium nitride kiểu-P được kích hoạt điện
năm 1989 khắc phục vấn đề kích hoạt điện gallium nitride pha-magie, Hiroshi Amano và đồng sự Isamu Akasaki bắn chùm electrom năng-lượng-thấp lên gallium nitride pha-magie và đã trình làng LED xanh dương thiết-kế-mối-nối-PN đầu tiên
năm 1989 LED xanh dương Hiroshi Amano được nhận xét là không được sáng lắm, vì hầu hết ánh sáng phát xạ nằm trong dải phổ cực tím
cuối thập niên 1990 Shuji Nakamura của doanh nghiệp hóa chất Nichia Chemical Industries thay đổi phương pháp ủ chùm electron sang một phương pháp ủ nhiệt đồng đều hơn, sản xuất được một lớp kiểu-P tốt hơn và phát xạ một màu xanh dương sáng hơn
ít năm sau, Nichia Chemical Industries hợp kim hóa gallium nitride với indium nitride để được LED xanh dương DH (double-heterostructure) hạng-Candela ngày nay được sản xuất thành laser được dùng trong máy đọc đĩa, máy chiếu, một số thiết bị đo giao thoa

Đi-ốp phát sáng trắng
để làm LED trắng, LED xanh dương được đặt trong một khoang nửa-trong-suốt được phủ một thứ phospho đặc biệt, vỏ khoang được làm từ yttrium nhôm ngọc hồng lựu YAG (yttrium aluminum garnet) pha-cerium
một số ánh sáng LED xanh dương sẽ thoát được ra ngoài, còn lại sẽ bị YAG pha-cerium phủ-phospho hấp thụ rồi phát xạ ánh sáng vàng-hơi-xanh-lá-cây
năm 2014 Hiroshi Amano, Isamu Akasaki và Shuji Nakamura nhận đồng giải Nobel
năm 1995 trong bài báo giới thiệu Nichia Chemical Industries với sản phẩm LED xanh dương,. tạp chí Wired gọi laser xanh dương "ứng dụng bán dẫn 'khiêu gợi' nhất" và vẽ ra một tương lai LED trắng sẽ thay thế bóng đèn sợi vonfram
George Craford ở HP nói về LED trắng: "chẳng có lý do gì không thể thay thế đèn vonfram bằng LED trong một loạt các ứng dụng... LED sẽ thay thế nhiều thị trường chiếu sáng. Tôi không biết bao lâu nhưng tôi nghĩ sẽ xảy ra"
tác giả Bob Johnstone bài báo Nichia trên Wired năm 1995 cho rằng dự đoán này có phần "cực đoan"
thuở đầu LED xanh dương đã tốn 15 USD chi phí sản xuất, trước khi Cree và chip GaN-trên-silic-carbide của hãng này đã làm giảm giá bán
các doanh nghiệp Nhật Bản, Đài Loan và Hoa Kỳ gia nhập thị trường LED trắng
mới đầu Nichia sản xuất LED trắng cho ra ánh sáng hơi-xanh-dương, trong khi khách mua cho hộ gia đình muốn ánh sáng ấm hơn cho căn nhà
năm 2002 LED đáp ứng nhu cầu ấy, cùng với giá bán liên tục giảm nhờ lực cạnh tranh thị trường và các doanh nghiệp đã cải thiện cấu trúc chi phí sản xuất

Di động
điện thoại sử dụng LED làm màn hình hiển thị, nguồn sáng phím bấm, ánh sáng máy ảnh
năm 2005 điện thoại di động đã chiếm 52% thị phần LED trắng
ngày nay, điện thoại di động đã chiếm 80-85% thị phần LED trắng

Tần số vô tuyến
khi truyền tải tín hiệu không-dây, chip RF (radio frequency) chuyển-đổi-nâng tần tín hiệu băng-gốc (upconvert digital baseband) bằng cách trộn sóng băng-gốc với một tần số mang (carrier) rồi khuếch đại công suất (power amplify) để tín hiệu đến được tháp
khi nhận tín hiệu, chip RF thực hiện ngược lại
từ lâu, bóng bán dẫn RF là thị trường ngách, xử lý tín hiệu ở dải tần số gigaHertz trở lên
thập niên 1980 tivi vệ tinh đã được chào bán trên thị trường dân sự, lần đầu tiên "phá lệ" bóng bán dẫn RF chỉ cho công tác bí mật: radar, radio

Bóng bán dẫn độ-linh-động-electron-cao HEMT
LED xanh-dương cần gallium nitride kiểu-P nhưng RF không cần
cuối thập niên 1970 tiếp bước dự án siêu-mạng-tinh-thể (superlattice) của Leo Esaki và Raphael Tsu ở IBM, Bell Labs triển lãm một cách sản xuất khí electron 2-chiều 2DEG (2-dimensional electron gas)
2DEG là một trạng thái vật chất, theo đó electron tự do di chuyển trên một mặt phẳng
theo đó Bell Labs đề ra cấu trúc bóng bán dẫn HEMT (high electron mobility transistor)
năm 1979 tiến sĩ Takashi Mimura ở hãng Fujitsu đăng ký sáng chế HEMT
cùng năm ấy, đội ngũ Thomson-CSF cũng độc lập đăng ký sáng chế HEMT
HEMT của Fujitsu được làm từ gallium arsenide và nhôm gallium arsenide pha-tạp-kiểu-N
đầu thập niên 1990 có cách làm HEMT từ gallium nitride kiểu-N và nhôm gallium nitride

Cơ quan các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến DARPA
thập niên 1990 hải quân Hoa Kỳ muốn tăng tầm xa radar cho hệ thống phòng thủ và điều khiển tên lửa
hải quân Hoa Kỳ đã tối đa mức công suất của chip gallium arsenide và đang đầu tư những tiềm năng thay thế
thập niên 1970-1980 văn phòng nghiên cứu hải quân ONR (Office of Naval Research) tài trợ nghiên cứu cơ bản nhiều vật liệu bán dẫn khe-vùng-rộng, dưới quyền lãnh đạo của Max Yoder
năm 2002 DARPA (defense advanced research projects agency) khởi động dự án WBGS-RF
qua 3 giai đoạn trong hơn 10 năm, WBGS-RF cải thiện chất lượng mọc GaN, phát triển HEMT hiệu năng cao bền-hơn, trình làng IC vi sóng nguyên-khối (monolithic) hiệu năng cao kỷ lục
thập niên 2010 Raytheon và các nhà thầu quốc phòng Hoa Kỳ tích hợp thiết bị điện tử RF chứa-GaN vào thay gallium arsenide, trong đó có radar phát hiện tên lửa đạn đạo và những hệ thống phá sóng
ở thị trường dân sự, GaN xuất hiện ở những trạm phát sóng milimet (base station)

Sạc pin
bên trong bộ sạc pin có những bóng bán dẫn công suất
bóng bán dẫn RF phục vụ tần số cao và hiệu quả chuyển đổi điện DC thành tần số RF
bóng bán dẫn công suất là công tắc điện áp cao, kháng trở càng thấp càng tốt, trạng thái "đóng" cần chặt để không rò điện, gọi là "bóng bán dẫn e-mode" (enhanced-mode)
từ khi thyristor xuất hiện, bóng bán dẫn công suất đã được sản xuất từ silic
silic có "trường đánh thủng thác lũ" (avalanche breakdown field) chỉ 0.3 megaVolt/cm trong khi của GaN cao gấp 10 lần, nhờ có "khe vùng" (bandgap) rộng hơn
năm 2010 bộ sạc pin đã có GaN
năm 2018 Navitas Semiconductor trình làng chip GaNFast trang bị sạc nhỏ gọn cho những hãng sản xuất thiết bị gốc OEM (original equipment manufacturer) như Xiaomi, Samsung và Oppo
phục vụ 30-650 volt điện áp, GaN cũng trang bị những bộ khuếch đại âm thanh, bộ cấp nguồn PC

Điện áp cao
silic carbide đang nắm thị trường điện áp cao (xe điện, trung tâm dữ liệu, HVDC, xe lửa) vì silic carbide có MOSFET dọc
HEMT là một thiết bị ngang: cổng, nguồn và máng ở trên một mặt phẳng, với một lớp khí electron ở dưới lớp nhôm GaN
tăng "điện áp đánh thủng" (breakdown voltage) HEMT cần tăng khoảng cách giữa nguồn và máng
ví dụ HEMT ngang GaN có "điện áp đánh thủng" 1200 volt sẽ cần một kênh 16 micromet
bóng bán dẫn "dọc" có nguồn và máng ở 2 phía đối diện của một wafer, nếu muốn tăng "điện áp đánh thủng" thì việc tăng khoảng cách nguồn-máng sẽ dễ

Tăng trưởng GaN tinh khiết
cách "kinh tế" nhất để tăng trưởng GaN là trên nền silic, thạch anh, hoặc silic carbide
thập niên 1960 nhà hóa chất Robert Juza và các cộng sự Đức nghiên cứu kim loại nitrit hòa tan trong amonia lỏng ở áp suất và nhiệt độ cao
năm 1995 đội ngũ Porowski ở viện vật lý áp suất cao Unipress thử dùng amonia siêu-tới-hạn để làm GaN
năm 1999 Robert Dwilinski sáng lập Ammono và đăng ký sáng chế kỹ thuật ammonothermal acidic và basic (chất trợ dung mineralizer như amoni clorua hoặc kali nitric)
năm 2003-2004 doanh nghiệp Ammono hợp tác Đại học Tohoku và UCSB trình làng GaN khối tự đứng (freestanding bulk) kích thước mầm nhỏ, đã có mật độ "lệch mạng tinh thể" (mismatch) chưa đến 10^4 cm^-2
năm 2008 Ammono thương mại các phiến phôi Bulk GaN chỉ 2-inch bằng phương pháp Ammonothermal
ngày nay Mitsubishi Chemical đã mua Ammonothermal về phát triển lò phản ứng autoclave áp suất hơn 200 MPa sản xuất mầm Bulk GaN 4-inch

Mọc ghép tinh thể đồng pha hơi-hydrua
ngày nay HVPE được ứng dụng để sản xuất nền GaN cho sản phẩm GaN-on-GaN
rồi CAVET (current aperture vertical electron transistor) sử dụng GaN kiểu-P pha-magie
tháng 10 năm 2015 onsemi trình làng GaN dọc, phát triển trên nền GaN-on-GaN và xử lý được 1200 volt điện áp