27 سپتامبر 2023 -توسط Ranjini Raghunath، موسسه علوم هند-ویفر دو اینچی GaN-روی سیلیکون با ترانزیستورهای قدرت، توسعه یافته در CeNSE، IISc. اعتبار: آشوتوش ویشواکارما
محققان مؤسسه علوم هند (IISc) یک کلید برق کاملاً بومی نیترید گالیوم (GaN) ایجاد کرده‌اند که می‌تواند کاربردهای بالقوه‌ای در سیستم‌هایی مانند مبدل‌های برق برای وسایل نقلیه الکتریکی و لپ‌تاپ‌ها و همچنین در ارتباطات بی‌سیم داشته باشد. کل فرآیند ساخت سوئیچ – از رشد مواد گرفته تا ساخت دستگاه تا بسته‌بندی – در مرکز علوم و مهندسی نانو (CeNSE)، IISc توسعه داده شد.
ترانزیستورهای GaN به دلیل کارایی بالا، جایگزین ترانزیستورهای سنتی مبتنی بر سیلیکون به عنوان بلوک های ساخت در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مانند شارژرهای فوق سریع برای وسایل نقلیه الکتریکی، تلفن ها و لپ تاپ ها و همچنین کاربردهای فضایی و نظامی مانند رادار هستند .
Digbijoy Nath، دانشیار CENSE و نویسنده مسئول این مطالعه که در Microelectronic Engineering منتشر شده است، می گوید: «این یک فناوری بسیار امیدوارکننده و مخرب است. “اما مواد و دستگاه ها به شدت محدود به واردات هستند… ما هنوز قابلیت تولید ویفر نیترید گالیوم را در مقیاس تجاری در هند نداریم.” او می‌افزاید که دانش ساخت این دستگاه‌ها با مطالعات اندکی درباره جزئیات فرآیندهای مربوطه، یک راز کاملا محافظت شده است.
سوئیچ های برق برای کنترل جریان برق به دستگاه های الکترونیکی – که اساساً روشن یا خاموش می شوند – استفاده می شوند. برای طراحی سوئیچ برق GaN، تیم IISc از تکنیک رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی استفاده کرد که طی یک دهه توسط محققان در آزمایشگاه Srinivasan Raghavan، پروفسور صنادلی، CeNSE توسعه یافته و بهینه شده است. این شامل رشد کریستال های آلیاژ GaN لایه به لایه روی یک ویفر سیلیکونی دو اینچی برای ساخت یک ترانزیستور چند لایه است.
کل فرآیند باید با دقت در یک اتاق تمیز انجام شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ نقصی به دلیل شرایط محیطی مانند رطوبت یا دما که می تواند بر عملکرد دستگاه تأثیر بگذارد، ایجاد نمی شود. این تیم همچنین از Kaushik Basu، دانشیار دپارتمان مهندسی برق (EE) و آزمایشگاه او برای ساخت یک مدار الکتریکی با استفاده از این ترانزیستورها و آزمایش عملکرد سوئیچینگ آنها کمک گرفت.
ترانزیستورهای GaN معمولاً در حالتی که “حالت تخلیه” نامیده می شود کار می کنند – آنها همیشه روشن هستند مگر اینکه برای خاموش کردن آنها ولتاژ منفی اعمال شود. اما کلیدهای برق مورد استفاده در شارژرها و آداپتورها باید برعکس عمل کنند – آنها معمولاً باید خاموش باشند و جریانی نداشته باشند و فقط زمانی روشن شوند که ولتاژ مثبت اعمال شود (“حالت افزایش”). برای دستیابی به این عملیات، تیم ترانزیستور GaN را با ترانزیستور سیلیکونی موجود در بازار ترکیب کرد تا دستگاه به طور معمول خاموش بماند.
دکتر Rijo Baby دانشجوی CENSE و اولین نویسنده این مطالعه. توضیح می‌دهد: «بسته‌بندی دستگاه نیز به صورت بومی توسعه یافته است. پس از بسته‌بندی و آزمایش، تیم متوجه شد که عملکرد دستگاه با سوئیچ‌های پیشرفته‌ای که به صورت تجاری در دسترس هستند قابل مقایسه است، با زمان سوئیچ حدود 50 نانوثانیه بین عملیات روشن و خاموش.
در آینده، محققان قصد دارند ابعاد دستگاه را افزایش دهند تا بتواند در جریان های بالا کار کند. آنها همچنین قصد دارند یک مبدل برق طراحی کنند که بتواند ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد.
Nath می‌گوید: «اگر به سازمان‌های استراتژیک در هند نگاه کنید، آنها برای تهیه ترانزیستور GaN با مشکل مواجه می‌شوند… واردات آنها فراتر از یک مقدار مشخص یا رتبه قدرت/فرکانس غیرممکن است. “این اساساً نمایشی از توسعه فناوری GaN بومی است.”
