Geçtiğimiz on yılda Galyum Nitrit (Gallium Nitride, GaN) yüksek frekanslı ve yüksek güçlü yarıiletkenlerin gerekli olduğu birçok uygulamada Galyum Arsenik (Gallium Arsenide, GaAs) ürünlerinin yerini almaya devam ederek giderek daha tercih edilir hale gelmiştir. GaN’a doğru olan bu kaymanın sebebi nedir ve GaAs ile GaN arasındaki farklar nelerdir?
GaN ve GaAs yarıiletken bileşimler olup külçeler (ingot) şeklinde büyütüldükten sonra ince tabakalar halinde kesilerek bu tabakaların (wafer) üzerlerine aktif ya da pasif devre elemanları üretilir. GaAs daha eski bir ürün olup günümüzde en büyüğü 6 inç boyutunda tabakalar halinde ticari olarak bulmak mümkündür. GaN, 1990lardan beri LED üretiminde kullanılmakta olup en büyüğü 2 inç boyutunda tabakalar halindedir.
GaAs, yüksek frekanslı küçük işaret yarıiletkenleri için özellikle düşük gürültü gerektiren alıcı ön uçlarında (front-end) iyi bir taban seçeneği olarak tescillenmiştir. GaAs MMIC (monolithic microwave integrated circuit) yapılar cep telefonu, tablet ve WiFi cihazlar gibi taşınabilir cihazlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Düşük gerilim gerektiren ve pil gibi enerji kaynaklarıyla kullanılabilecek kuvvetlendirici ve RF anahtar gibi devreler GaAs MMIC şeklinde üretilmektedir.
GaN ise 48V ve daha yüksek DC gerilimlerde çalışabilen bir güç elemanı olarak bilinmektedir. Yüksek gerilimle çalışabilmesinden dolayı GaN transistörler ve MMIC yapılar baz istasyonlarında yüksek güçlü kuvvetlendirici olarak kullanılmaktadır. Askeri radarlarda yüksek frekanslı elektronik vakum tüplü kuvvetlendiricilerin de yerini almaktadır. Karşılaştırılabilir güçlerde ise GaAs kuvvetlendiriciler daha doğrusaldır ve daha az bozulmaya sebep olur.
GaN ve GaAs yapılar III-V yarıiletken bileşikleridir. Bileşenlerindeki farklı elementler sebebiyle dielektrik sabiti, kırılma gerilimi (breakdown voltage), elektron hareketliliği (electron mobility), doyma hızı (saturation velocity) ve ısıl iletkenlikleri gibi önemli özellikleri birbirinden oldukça farklıdır.
GaN 3,4eV ile, GaAs’a göre (1,4eV) daha geniş bant aralığına (band gap) sahiptir. Bant aralığı, bir elektronun yarıiletken içinde valans bandından iletim bandına geçmesi için gerekli enerji olarak tanımlanır. 1-2 eV’dan daha fazla bant aralığı gerilimi geniş bant aralığı olarak tanımlanır. Yüksek enerji durumuna genişte, doyma hızı GaN için 2,7 x 107 cm/s iken GaAs için bu değer 2 x 107 cm/s’dir. Kırılma gerilimi alanı da katı-hal-donanıma (solid-state-device) güvenle uygulanabilecek en yüksek elektrik alanı tanımlar. GaN için kırılma gerilimi 4 x 106 V/cm iken GaAs için 5 x 105 V/cm’dir ve görüldüğü gibi aralarında ciddi bir fark vardır. Bu nedenle GaN donanımlara çok daha yüksek gerilimler uygulanabilir.
GaN malzemenin dielektrik sabiti 9 iken GaAs için bu değer yaklaşık 1.28’dir. Bu durum GaN üzerine tasarlanan MMIC yapılarda daha yüksek güçlerde çalışabilecek daha yüksek değerli kondansatörlerin üretilmesine imkan verir.
GaAs elektron hareketliliği 6000 cm2/V-s iken GaN için bu değer 1350 cm2/V-s civarındadır. Bu nedenle GaAs yapılar daha yüksek frekanslarda çalışabilmektedir.
GaN, belirli bir güç ve frekansta daha küçük devrelerin tasarlanmasına imkan verir. Daha fazla güç yoğunluğu ve daha yüksek verim sağlaması sebebiyle daha verimli baz istasyonları ve mikro-hücreler tasarlanabilir. Yüksek gerilime dayanabilmeleri, GaN donanımların aynı güç seviyesinde daha küçük olarak cihaz tasarlanabilmesine imkan sağlar. Bu seri üretim aşamasında da önemlidir. Çünkü tabakalardaki hata yoğunluğu gerçeklenebilecek devre boyutunu da sınırlar. Tekrar edilebilirliği ve güvenilirliliği doğrudan etkiler.
Güç yoğunluğunun fazla olmasından dolayı daha küçük alanda daha yüksek güç üretilmektedir. Bu nedenle ısıl iletkenlik de önemli bir malzeme özelliği ve gereksinimi olarak karşımıza çıkar. 100% verimli bir cihaz tasarlamak mümkün olmadığı için ortaya çıkacak ısının olabildiğince hızlı bir şekilde uzaklaştırılması donanımın çalışma ömrünü uzatmak ve elektriksel özelliklerini koruyabilmek için gereklidir. GaN için ısıl iletkenlik 1,7 W/cm-K olup GaAs’a göre 3 kat daha yüksektir (0,46 W/cm-K). Yüksek ısıl iletkenlik donanım üzerindeki sıcaklığı düşük seviyede tutmaya yardımcı olur, bu durum daha yüksek güç üretilmesini de sağlar.
GaN cihazlar günümüzde sıklıkla silisyum (GaN-on-Si) veya silisyum karbit (GaN-on-SiC) üzerine üretilmektele beraber farklı firmalar farklı ürünler ve teknolojiler de sunmaktadır. Şu anda pazarda çok geniş bir frekans ve güç aralığında GaN ürünler bulunmaktadır.
GaN ürünler genelde 1 GHz üzerindeki çözümler için önerilmektedir. Daha düşük frekanslarda düşük maliyetli ve kararlı olmasından dolayı hala LDMOS ürünler tercih edilmektedir.
GaN ürünler başarımları iyi olduğu için maliyetin çok önemli olmadığı uygulamalarda, yani sıklıkla savunma sanayide kullanılmaktadır. Amerika’da üretilen GaN ürünlerin birçoğu ITAR kısıtlamasından dolayı ülkemize satılmamaktadır. Bazı üreticiler tasarım için gerekli yazılım kütüphanelerini bile paylaşmamaktadır. Bu nedenle ülke olarak GaN üretim teknolojisine yatırım yapmak çok önemli bir gereksinimdir.
Osman Ceylan
24 Temmuz 2016
Bu yazının hazırlanmasında Microwaves&RF dergisinin What’s the difference between GaN and GaAs (Jack Browne, Haziran 2016, s.54-55) başlıklı çalışmasından yararlanılmıştır.
