Gallium nitride (GaN) là một hợp chất bán dẫn nhóm III-V có cấu trúc tinh thể Wurtzite và vùng năng lượng cấm rộng khoảng 3,4 eV. Nhờ độ dẫn điện tử cao, khả năng chịu nhiệt tốt và mật độ công suất lớn, GaN đã trở thành vật liệu nền tảng cho đèn LED màu xanh, sạc điện thoại USB-C nhỏ gọn, tăng công suất vi sóng cho trạm 5G và nhiều ứng dụng công suất cao khác.
Điểm khác biệt cốt lõi so với silicium nằm ở vùng năng lượng cấm. Với silicium, vùng cấm chỉ rộng khoảng 1,1 eV, nên điện tử dễ bị đẩy qua vùng cấm sang dải dẫn khi chịu điện áp cao, gây dòng rò và hỏng thiết bị. Vùng cấm rộng của GaN cho phép thiết bị chịu điện áp và nhiệt độ cao hơn nhiều mà vẫn hoạt động ổn định. Chính nhờ đó, GaN có mật độ công suất cao hơn silicium nhiều lần trong cùng một thể tích.
Tính chất vật lý và cấu trúc tinh thể
GaN kết tinh theo cấu trúc Wurtzite, thuộc không gian P63mc, với các nguyên tử gallium và nitrogen tạo thành hình tứ diện. Hậu quả của cấu trúc này là độ cứng cơ học khá cao, độ giãn nở thấp và độ dẫn nhiệt khoảng 1,3 W/cm·K ở nhiệt độ phòng, cao hơn silicium một bậc độ lớn. Vật liệu này cũng chịu được quá trình khử lý và có độ giòn tốt hơn silicium.
Để tạo linh kiện, GaN được cấu trúc hóa với mật độ dislocation cao, thường khoảng 108 đến 1010 lỗi trên một centimet vuông, nhiều hơn silicium rất nhiều. Mật độ lỗi cao này thường được kiểm soát bằng cách tăng tốc phát triển epitaxial trên lớp nền đá sapphire hoặc silicon carbide, kỹ thuật này cho phép sản xuất tấm wafer chất lượng cao hơn trong công nghiệp.
Ứng dụng trong LED và laser diode
Ứng dụng đầu tiên và nổi bật nhất của GaN là đèn LED. Để phát ra ánh sáng xanh, vật liệu bán dẫn cần vùng năng lượng cấm rộng, điều mà silicium và gallium arsenide không đáp ứng được. Nhờ GaN, đèn LED xanh dần trở thành hiện thực vào những năm 1990, mở ra thị trường đèn LED trắng hiện nay với cấu trúc phát quang xanh kết hợp lớp phát vàng để tạo ra ánh sáng trắng.
Ngoài LED, GaN còn là chất nền cho laser diode tím bước sóng 405 nm, loại laser không cần kỹ thuật nhân đôi tần số thường dùng với laser xanh của chất nền gallium arsenide. Nhờ đặc tính này, laser GaN được dùng phổ biến trong ổ đĩa Blu-ray và các hệ thống lưu trữ quang học dung lượng cao.
Ứng dụng trong nguồn điện và sạc nhanh
Trong lĩnh vực điện tử công suất, GaN được dùng để chế tạo transistor công suất như HEMT và MOSFET. Ưu điểm nổi bật là tốc độ chuyển mạch nhanh, tổn hao thấp và kích thước nhỏ hơn so với transistor silicium ở cùng công suất. Nhờ đó, các bộ chuyển đổi nguồn có thể đạt hiệu suất cao hơn và tỏa nhiệt ít hơn trong cùng không gian.
Đây là lý do các củ sạc USB-C dùng GaN có thể nhỏ hơn nhiều so với củ sạc silicium cùng công suất. Ví dụ điển hình là một củ sạc 30W dùng GaN có thể nhỏ bằng một nửa củ sạc silicium cùng công suất, trong khi hiệu suất chuyển đổi lại cao hơn. Loại bóng LED trắng công suất lớn cũng chuyển sang nền tảng GaN tương tự, nhờ khả năng chịu dòng điện lớn và nhiệt độ cao.
Ứng dụng trong vi sóng và trạm 5G
GaN cũng là vật liệu quan trọng cho các tầng khuếch đại công suất cao tần số vi sóng, nhờ khả năng hoạt động ổn định ở tần số lên tới hàng chục GHz và công suất cao. Nhờ đó, các module tăng công suất GaN được dùng rộng rãi trong trạm gốc 5G, radar quân sự, liên kết vệ tinh và các thiết bị radar thời tiết.
Nhờ khả năng chịu nhiệt và chịu công suất cao hơn, GaN còn được nghiên cứu cho ứng dụng tần số terahertz, và cho các hệ thống chuyển đổi công suất năng lượng tái tạo trong điện xe. Nguyên nhân là độ tuyến tính tín hiệu tốt và hiệu suất chuyển đổi cao trong dải tần số rộng, hai yếu tố then chốt cho các bộ biến đổi năng lượng.
Đánh giá ưu điểm và giới hạn
- Mật độ công suất cao hơn silicium nhờ vùng năng lượng cấm rộng hơn nhiều lần.
- Tốc độ chuyển mạch nhanh, phù hợp cho tần số cao và đáp ứng nhanh.
- Khả năng chịu điện áp cao và nhiệt độ cao, giảm nhu cầu tản nhiệt phức tạp.
- Hiệu suất chuyển đổi cao ở dải tần số rộng, phù hợp cho vi sóng và sóng terahertz.
Tuy vậy, GaN vẫn có một số giới hạn. Mật độ dislocation cao gây khó khăn cho quá trình sản xuất số lượng lớn, và mật độ dislocation tăng lên rõ rệt khi tăng đường kính tấm wafer. Bên cạnh đó, quy trình đóng gói để tản nhiệt cho transistor công suất GaN vẫn là thách thức kỹ thuật so với transistor silicium truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng công suất rất lớn.
Kết luận
GaN là một ví dụ điển hình cho việc một vật liệu khoa học trở thành sản phẩm thương mại phổ biến. Từ những tấm wafer nhỏ dùng trong phòng thí nghiệm, GaN ngày nay đã xuất hiện trong gần như mọi bộ sạc điện thoại nhanh và trong hàng loạt trạm gốc 5G. Khi giá thành tiếp tục giảm và công nghệ đóng gói cải thiện, GaN sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng trong những lĩnh vực như năng lượng tái tạo và điện xe.
Để biết thêm chi tiết về vật liệu này, bạn có thể tham khảo bài viết Gallium nitride trên Wikipedia.
