Komplementaarista galliumnitridielektroniikkaa

Valokuva HKUST-tutkijoiden valmistamasta rengasoskillaattorista sekä kaavio GaN-pohjaisen komplementaarisen logiikkainvertterin yhdestä vaiheesta.

Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston (HKUST) elektroniikan ja tietotekniikan laitoksen professori Kevin Chenin johtama tutkimusryhmä on äskettäin asettanut uuden jäsenen, komplementaarisen logiikkapiirin, laajakaistaisen galliumnitridielektroniikan (GaN) perheeseen.

GaN-pohjaisia elektronisia piirejä ja laitteita on tutkittu ja kehitetty intensiivisesti yli kahden vuosikymmenen ajan sekä akateemisessa maailmassa että puolijohdeteollisuudessa ja niitä on äskettäin kaupallistettu ja otettu käyttöön langattomissa 5G-tukiasemissa, erittäin pienikokoisissa pikalatureissa mobiililaitteille ja LiDAR-järjestelmissä.

GaN-pohjaisten tehomuuntimien/tarvikkeiden, joilla on ennennäkemätön tehokkuus ja tehotiheys, odotetaan tulevan käyttöön lähitulevaisuudessa monissa uusissa sovelluksissa, kuten datakeskuksissa, itsenäisessä ajamisessa, sähköajoneuvoissa, droneissa, roboteissa jne.

Kaikki nämä ovat tehonälkäisiä ja vaativat silti virtalähteiltä pienikokoisuutta. GaN-pohjainen tehoelektroniikka voisi täyttää nämä vaatimukset paljon paremmin kuin perinteiset piipohjaiset vastineensa.

Jotta voisi hyödyntää GaN-pohjaisten tehojärjestelmien täyden potentiaalin entistä älykkäämmin, luotettavimmin ja vakaammin, viime vuosikymmenen aikana on pyritty vankkaan teknologia -alustaan, joka mahdollistaa tehokytkinten ja oheislaitteiden toiminnallisten lohkojen, mukaan lukien kattavat logiikkapiirit, integrointiin.

Komplementaariset logiikkapiirit (CMOS) ovat piimikroelektroniikkateollisuuden perusta ja hallitseva arkkitehtuuri. Komplementaarisissa on kaksi erilaista transistoria (n- ja p-kanavaiset), joiden vuorottelu mahdollistaa erittäin pienen tehonkulutuksen. Vastaavan energiatehokkaan GaN-teknologian kehitys on ollut hidasta viime aikoihin asti, sillä sitä on vaikeuttanut p-kanavaisten transistorien käyttöönotto ja niiden integrointi n-kanavaisten kanssa.

Professori Chenin tiimi kehitti GaN-teholähteiden teknologia-alustalla uuden lähestymistavan porttieriste/kanava -rajapintaan liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi. He suunnittelivat "haudatun kanavan" rakenteen jolla saatiin aikaan p-kanavaiset GaN-transistorit. Monoliittista integraatioprosessia kehitettiin myös toteuttamaan CMOS-tyyppiset piirit, jotka on integroitu saumattomasti GaN-tehokytkinpiireihin. Ensimmäisinä tiimi esitteleekin täydellisen sarjan GaN-perustaisia komplementaarisia peruslogiikkaportteja sekä myös monivaiheisia logiikkapiirejä, joita voidaan operoida megahertsien taajuuksilla.

”Tämä on jännittävä harppaus eteenpäin. Olemme ensin osoittaneet, että kaikki rakenneosat ovat toimivia ja siten ne voitiin koota monimutkaisemmiksi kokonaisuuksiksi kaskadisia logiikkainverttereitä sisältäviksi rengasoskillaattoreiksi asti.

Aiheesta aiemmin:

Uusi menetelmä kestäville GaN-transistoreille

Löytö energiatehokkaalle elektroniikalle