**Galliumnitriid** (lühend **GaN**) on väga raske ja mehaaniliselt stabiilne, laia ribalaiusega pooljuht. Suure läbilöögitugevuse, kiire lülituskiiruse, suure soojusjuhtivuse ning väikse sisselülitustakistusega. Kristalle saab kasvada erinevatel substraatidel, näiteks safiiril, ränikarbiidil ja ränil. Galliumnitriid on binaarne III ja V perioodilisustabeli elementide rühma materjale kasutav otsese ribalaiusega pooljuht. Sobides hästi suure võimsusega transistoridele, mis on võimelised töötama kõrgetel temperatuuridel. Pooljuhtmaterjalidel on olemas ribalaius. See on tahkises olev energiavahemik, kus elektron ei saa eksisteerida. Ribalaius on seotud sellega, kuidas suudab tahke materjal elektrit juhtida. Galliumnitriid on ribalaiusega 3,4 eV, kuid ränil on see 1,12 eV. Laiem ribalaius tingib selle, et galliumnitriid suudab taluda kõrgemat pinget ja temperatuuri kui ränitransistorid. Laiem riba lubab galliumnitriidi rakendada optoelektroonilistes suurt võimsust vajavates ja kõrgsagedustel töötavates seadmetes. Võimalus töötada kõrgematel temperatuuridel ja pingetel kui galliumarseniid (lühend GaAs) transistorid, muutes galliumnitriidi ideaalseks võimsusvõimendiks mikrolaine ja terahertz seadmete jaoks, tuleviku turgudeks pildistamise ja tuvastamise jaoks. Füüsiliselt on galliumnitriid väga kõva materjal Knoopi kõvatusena mõõdetuna koenfitsendiga 14,21 GPa. Puhtal kujul purunemiskindel ja seda saab sadestada õhukese kihina substraatidele.

Galliumnitriid kristall struktuur
Galliumnitriid on peale räni kõige populaarsem materjal pooljuhtide tööstuses. 
Galliumnitriid kui laia ribalaiusega pooljuht, mida kasutatakse kõrge efektiivsusega võimsustransistorides ja integraallülitustes. Kasvatades õhukese alumiinium-galliumnitriidi kihti kristalli peale, siis tekib liidesel tüvi, mis indutseerib kompenseeriva kahemõõtmelise elektrongaasi (inglise *two-dimensional electron gas*, lühend *2DEG*). Seda kasutatakse elektronide efektiivseks juhtimiseks elektrivälja toimel. 2DEG on väga juhtiv, elektronide piirnemise tõttu liidese väga väikeses piirkonnas. Piirang suurendab elektronide liikumist umbes 1000 korda 2DEG piirkonnas. Kõrge liikuvus toodab transistore ja integraallülitusi. Galliumnitriidil põhinevad elektroonikaseadmed lülituvad seega kiiremini ja tarbivad vähem energiat kui klassikalised räni põhised seadmed.

1990. aastatest on galliumnitriidi kasutatud valgusdioodides. Galliumnitriid eraldab sinist valgust, mida kasutatakse Blu-ray plaadi lugemiseks. Samuti kasutatakse galliumnitriidi pooljuhtide toiteseadmetes, RF-komponentides, seadmed mis on mõeldud raadiosagedusel signaalide edastamiseks või vastuvõtmiseks, laserites ja fotoonikas. Tulevikus näeme galliumnitriidi andurite tehnoloogias.

GaN transistorid
----------------

### GaN HEMT

Suure elektroni liikuvusega transistorid (inglise *High-electron-mobility transistors*, lühend *HEMT* ). Need on transistorid, mis kasutavad kahemõõtmelist elektrongaasi, mis tekib kahe erineva ribalaiusega materjali vahelisest ristumisest. Galliumnitriidil põhinevatel HEMT transistoridel on suurem lülituskiirus, suurem soojusjuhtivus ja väiksem sisselülitus takistus, võrreldes ränipõhiste lahendustega. Need omadused võimaldavad kasutada GaN transistore ja integraallülitusi vooluahelates, et suurendada efektiivsust, vähendada suurust ja maksumust erinevate võimsuse muundamise süsteemide pealt. Kõik GaN transistorid ja GaN väljatransistorid on olemuselt suure elektroni liikuvusega transistorid. Kõik galliumnitriid väljatransistorid (inglise *field-effect transistor*, lühend *FET*) või HEMT-id kasutavad sama põhi tehnoloogiat, kasutades HEMT struktuuri koos selle kahemõõtmelise elektrongaasi piirkonnaga, mis tagab seadme põhilise töörežiimi. GaN HEMT-id on saadaval nii tühjendusrežiimis kui täiendusrežiimis.

Galliumnitriid suure elektronliikuvusega transistorid
GaN lülitusseadmeid on kahte erinevat tüüpi: täiendusrežiim (inglise *enhancement mode*, lühend *e-GaN*) ja tühjendusrežiim (inglise *depletion mode*, lühend *d-GaN*). Tühjendusrežiimi GaN transistor on tavaliselt sisse lülitatud. Selle väljalülitamiseks tuleb paisule rakendada neelu ja lätte elektroodide suhtes negatiivne pinge. Täiendusrežiimis või e-režiimis väljatransistorid on tavaliselt välja lülitatud. Need lülitatakse sisse rakendades paisule neelu ja lätte suhtes positiivset pinget. Tegelike väljatransistoride struktuurid erinevad mõlema tüübi puhul. Lisaks on nende elektroonika komponentide tootjad võtnud kasutusele erinevaid lähenemisviise, kuid tööpõhimõtted on samad.

### GaN väljatransistor

GaN väljatransistoril on olemas pais (inglise *gate*), läte (inglise *source*) ja neel (inglise *drain*) elektroodid. Läte ja neel elektroodid tungivad läbi ülemise AlGaN kihi, moodustades oomilise kontakti all oleva 2DEG-ga. Tekitades lühise lätte ja neelu vahel, kuni 2DEG elektronide kogum on ammendatud ja polariseeruv GaN kristall võib voolu blokeerida. 2DEG kahandamiseks asetatakse AlGaN kihi peale paisuelektrood. GaN transistorides moodustatakse paisuelektrood Schottky kontaktina ülemise pinnaga. Rakendades selle kontaktile negatiivset pinget, muutub Schottky barjäär vastupidiseks ja selle all olevad elektronid tühjenevad. Seetõttu on sellise seadme väljalülitamiseks vaja negatiivset pinget nii neelu kui ka läte elektroodide suhtes. Selliseid transistore nimetatakse tühjendusrežiimiks või d-režiimiks.

### Tühjendusrežiimi GaN transistor

Tühjendurežiimi GaN HEMT transistori põhistruktuur koosneb kolmest elektroodist, milleks on läte, neel ja pai, tavalise väljatransistori puhul. Pais ja neel on valmistatud nii, et need ei asu AlGaN kihil, vaid puutuvad kokku otse GaN piirkonnaga ja seega 2DEG-ga. Tühjendusrežiimis HEMT tekitab neelu ja paisu vahel lühise. Elektronide voolu vähendamiseks läbi 2DEG-i rakendatakse paisule neelu ja lätte suhtes negatiivne potentsiaal, mis tühjendab elektronide kanali, vähendades sedasi kanali juhtivust. Selliseid tühjendusrežiimis GaN transistore saab luues Schottky paisu elektroodi, asetades metallkiht otse AlGaN peale kasutades selliseid materjale nagu nikkel-kuld või plaatina. Schottky barjäär võimaldab kanali juhtivust kontrollida ühendades metalli ja pooljuhi kontaktpinnad. Samuti saab tühjendusrežiimis GaN transistore valmistada ka isolatsioonikihi abil ja ja seejärel asetades sellele metallpaisule, mis sarnaneb räni isoleeritud paisuga väljatransistoriga (inglise *metal–oxide–semiconductor field-effect transistor*, lühend *MOSFET*). Tühjendurežiimiga GaN transistore kasutatakse paljudes elektroonikaahelate disainimisel samas ei kasutata neid toitesüsteemides, sest võimsusmuunduri käivitamisel tuleb kõigepealt toiteseadmele rakendada negatiivne nihe, vastasel korral tekib lühis.

### Täiendusrežiimi GaN transistor

Täiendusrežiimis GaN töötab tavalise MOSFET-tina isegi kui sellel on vähendatud paisu ja lätte vahelist pinget. Lubab madalamat takistust ilma kehakatoodita kahesuunalise kanaliga. e-GaN transistor on tavaliselt välja lülitatud ja lülitub sisse kui paisule rakendatakse positiivset pinget. Erinevalt d-GaN-ist ei vaja e-GaN seadmed negatiivset käivitus pinget, kui paisul on null algpinge, lülitatakse seade välja ja see ei juhi voolu. Täiendusrežiimi GaN transistoride loomiseks kasutatakse mitmeid meetodeid. Nende väljatransistoride jaoks kasutatakse erinevaid struktuure, näitena siirdatud pais ja süvistatav pais. Siirdatud paisu meetodil täiendusrežiimis GaN väljatransistoride valmistamiseks kasutatakse fluori aatomite siirdamist AlGaN barjääri kihi paisu piirkonda. Fluori aatomid tekitavad AlGaN kihis negatiivse laengu ja tühjendab elektronid selles piirkonnas 2DEG-i tasapinnalt. Selle piirkonna peal olev Schottky pais tagab juhtimise, sest positiivse nihke rakendamisel elektronid tõmmatakse tagasi selle piirkonna 2DEG tasandisse ja vool hakkab liikuma kanalis. Teine meetod süvistatud paisu struktuur luuakse AlGaN barjääri piirkonna hõrendamisel 2DEG tasandi kohal. See vähendab piesoelektrilise efekti tekitatud pinget selles piirkonnas. Punkt saavutatakse, kus pingest tekitatud pinge kristallstruktuuris on väiksem kui Schottky metallpaisu sisseehitatud pinge ja nullnihkega elimineeritakse 2DEG-i tasand. Kui paisule asetatakse positiivne nihe, tõmmatakse elektronid tagasi kahe pooljuhtmaterjali vahelise liidese juurde ja vool on võimeline liikuma sõltuvalt nihke tasemest. GaN pooljuht tehnoloogia areneb kiiresti tänu eelistele RF-disainis ja paljude toitelahenduste disainis. 

### Kõrgepinge GaN transistorseadmed

Lisaks GaN tühjendus- ja täiustusrežiimis seadmetele on turule jõudnud ka kõrgepinge veritikaalsed GaN seadmed lühend v-GaN. Arenev v-GaN tehnoloogia on suunatud rakendustele, mis vajavad 1kV ja sellest kõrgemat pinget, mis praegu kasutavad räni ja ränikarbiidi. Kõrgepinge GaN seadmed vajavad hulga GaN substraate, sest triivpiirkond ja substraat on mõlemad galliumnitriidi põhised, selle tõttu peab defektide tihedus olema palju väiksem kui räni substraatidel kasvatatud galliumnitriidil. v-GaN struktuuri defektide tihedus on ligikaudu 1000 kuni 10000 korda väiksem kui külgmistes struktuurides. v-GaN seadmete struktuuride madal defektide tihedus lubab pinget 10kV või rohkem. Need seadmed on aga kulukad, sest galliumnitriid substraadid on liiga väikesed, suuruselt umbes 100 mm. Samas nendel seadmetel on tootmiseks vajalikud stantsid palju väiksemad, mis toovad ka kulusid all. Galliumnitriid substraatide suurem kättesaadavus vähendaks v-GaN võimsus transistoride maksumust. Kõrgemad sagedused võimaldavad kasutada väiksemaid ja odavamaid passiiv komponente ning suurendada nõnda efektiivsust võimsusmuundurite v-GaN tehnoloogias.

Galliumnitriidi ja GaN transistoride kasutus
--------------------------------------------

Galliumnitriidi kasutatakse autotööstuses, andmekeskustes, tööstustes, lennundus ja kaitse valdkondades, tarbeelektroonikas, meditsiinitehnikas ning sides. 

Pilve teenuse kasv sunnib arengut ka andmekeskustes, mis on peamised energiatarbijad. Üks võimalus energiakadude vähendamiseks on eemaldada kogu võimsuse muundamise etapp, kui toide suunatakse andmekeskuse sisendist lõpp koormuspunkti. Tänu GaN omadustele on võimalik teisendada pinge 48V otse vahemikku 1V, mida on vaja koormuspunktis, ilma vahepealse peatuspunktita 12V juures. Potentsiaalne energiasääst sellise arhitektuuri juures on suur, arvestades pilve infrastruktuuri toimimiseks vajaliku arvutusvõimsusega ja andmekeskuste kiiret laienemist.

Autonoomsete sõidukite rakendustes, kus lidari seade laseb kiiresti juhtiva valgusvihu ja salvestab aja, mis kulub kiire tagasitulekuks kui ka suuna kuhu see suunati, luues nõnda 360 kraadise kolmemõõtmelise pildi sõidukit ümbritsevast. Mida kiiremini saab laserkiirt edastada, seda suurema eraldusvõimega on kaardistatavad objektid või asukoha objektid, mida lidar suudab tuvastada. Lidari süsteemis GaN tehnoloogia kasutamine võimaldab lasersignaali väljastada suurematel kiirustel. Sarnast tehnoloogiat kasutatakse ka liitreaalsustehnoloogiate juures, droonides ja seda kasutatakse arenenumates robotites sisuliselt silmadena, millega ümbritsevast keskkonnast infot saada. 

Galliumnitriid seadmed on kasutusel kosmosevaldkonnas, sest galliumnitriid on kiirgust taluv. GaN looduslikud omadused muudavad selle kahjulike kiirte suhtes immuunseks. Galliumnitriid transistore kasutatakse ioontõukurites, satelliitpäikesepaneelide võimsuse muundamiseks, vastupidavates hästi täpsetes harjavabades elektrimootorites väikeste kuupsatelliitide reaktsioonirataste juhtimiseks. Lisaks kosmosemisioonidel kasutatavas robootikas ja automatiseeritud mõõteriistades. 

Kasvav nõudlus elektrilise mobiilsuse järele nõuab väga tõhusaid ja kompaktseid mootoriajameid. GaN väljatransistorid ja integraallülitused võimaldavad kujundada invertereid, mis suurendavad mootori efektiivsust, vähendades samal ajal suurust, kaalu ja maksumust. See võimaldab luua väiksemaid, suurema pöördemomendiga, ulatusega, täpsusega ja vaiksemaid mootorisüsteeme. Kasutust leiavad mootorisüsteemid elektrilistes liikurites ning isiklikes robootika seadmetes.

Taastuvate energiaallikate kasutuselevõtu kiirendamiseks tuleb saavutada tõhusam muundamine, energia salvestamise võimsust suurendada ja madalamaks saada kulud, samas tagades pikaajalise töökindluse. GaN põhised toitelahendused võimaldavad päikeseenergia mikroinverteritel, optimeerijatel suurendada energia salvestus süsteemide efektiivsust. 

GaN-il on meditsiinilistes rakendustes suur roll, kuid alles on alustatud uuenduslike lahenduste avastamist. GaN transistore kasutavaid juhtmevabasid toiteallikaid saab kasutada siirdatavate meditsiiniseadmete laadimiseks, mis on vajalikud diabeediga patsientidele. Samuti kasutatakse üliväikeses röntgenaparaadis, mis on tableti suurune, et teha kolonoskoopiat. Patsiendi jaoks meeldivam läbivaatus ja arsti jaoks hea eraldusvõimega pildid. MRI seadmetes kasutatakse ära GaN-i suurepärast jõudlust, et saavutada 10 kuni 100 korda suurem eraldusvõime, selle tõttu saab avastada haigusi varem ja täpsemalt.

GaN HEMT transistoride tehnoloogiat kasutatakse erinevates elektroonika ahelates ja raadiosageduslike seadmete valdkondades. Toodetavate GaN transistoride parameetrid võimaldavad rakendada neid erinevates seadmetes, kus on vajadus suure võimsuse, kõrge sageduse või suure jõudluse järgi või nende kõigi kombinatsiooni järele. Peamised rakendused toitesüsteemides, alates lülitusrežiimi toiteallikatest, toitelülitustest ja elektrisõidukites. Rakendatakse kohtades, kus efektiivsuse tase on kõrge tänu seadmete kiirele lülitumisele ja madalale sisselülitamise takistusele. Kasutatakse võimsusvõimenditena raadiosagedustel töötavates seadmetes, et suurt võimsust ja kiirust kombineerida. GaN väljatransistorid on suure töökindlusega ja kõrge efektiivsus tasemega ning töötavad kõrgetel sagedustel. Võimsusvõimendeid kasutatakse mitmesugustes mobiiliside rakendustes, eriti 5G ja 6G tugijaamades. Lisaks ka satelliidi rakendustes, kus selle töökindlus ja vastupidavus peavad olema kõrged. GaN väljatransistore kasutatakse RF lülitites, kus on vaja raadiosageduslikku ümberlülitamist. Need saavad hakkama palju kõrgema võimsusega kui GaAs väljatransistorid, mida samuti kasutatakse raadiosageduslike ahelate lülitamiseks. Raadiosageduse lülititena on GaN transistorid võimelised tagama madala takistuse, kõrge isolatsioonitaseme, suurepärase lineaarsuse tõttu väikese lülitus kao. Tänu suurele võimsusele ja vastupidavusele, taluvad nad erinevalt GaAs väljatransistoridest kõrget sisendvõimsuse taset, mis on vastuvõtlikumad ülekoormusele ja staatilisele elektrile. Seetõttu kasutatakse GaN väljatransistore radari seadmetes.

Galliumnitriidi kasutamise eelised
----------------------------------

GaN seadmete eeliseks on väikene energiakuluga. Energiakulu on väike, sest GaN pooljuhid on räni omadest tõhusamad. Need on madalama energakuluga, sest soojusena kulutatakse vähem energiat, mille tulemusena on süsteemid väiksema suuruse ja materjalikuluga. Teiseks suurem võimsustihedus ehk väiksem maht. Ränist kõrgemad lülitussagedused ja töötemperatuurid põhjustavad väiksemaid jahutus vajadusi ja on vaja väiksemaid jahutusradiaatoreid, vedelikjahutuselt õhkjahutuseks üleminekut, ventilaatorite eemaldamist ja väiksemat magnetilisust. Kõrgemad GaN seadmete lülitus sagedused võimaldavad väiksemaid induktoreid ja kondensaatoreid kasutada toiteahelates. Induktiivsus ja mahtuvus vähenevad proportsionaalselt sagedusega võrreldes. See toob kaasa suure kaalu, mahtude ja ka maksumuse vähenemise. Kõrgem sagedus lubab mehaanilistes rakenduste osades vähendada tekkivat müra ning võimaldab juhtmevaba suurema võimsusega jõuülekannet. Galliumnitriid pooljuhid on küll tavaliselt kallimad kui räni omad, kuid süsteemi tasemel kulusid vähendatakse galliumnitriidi kasutamisega, sest vähendatakse passiivkomponentide induktorite ja kondensaatorite elementide, filtrite ja jahutuse suurusi või kulusid. GaN seadme tootmiskulud on madalamad kui MOSFET seadmetel, sest GaN-seadmeid toodetakse standardsete räni tootmis protseduuride abil samades tehastes, mis praegu toodavad traditsioonilisi räni pooljuhte ja tänu sellele on seadmed väiksemad sama funktsionaalsuse juures. Kuna üksikud seadmed on palju väiksemad kui räniseadmed, siis saab ühe pooljuhtplaadi (inglise *wafer*) kohta toota palju rohkem GaN seadmeid, mille tõttu tekib olukord, kus GaN seadmete tootmine maksab vähem kui räni analoogid.

Areng
-----

HEMT galliumnitriid transistorid hakkasid ilmuma esimest korda 2004. aastal koos RF transistoridega. Kasutades galliumnitriidi ränikarbiid substraatidel, tõi Eudyna tootmisesse raadiosageduslikule turule mõeldud transistorid. 2005. aastal tutvustas Nitronex Corporation esimest tühjendusrežiimiga raadiosagedus RF HEMT transistori, mis oli valmistatud räniplaatidel kasvatatud galliumnitriidist, kasutades SIGANTIC tehnoloogiat. GaN RF-transistorid on jätkanud RF-rakendustesse sissetulemist, sest turule on tulnud mitmed teised ettevõtted. Väljaspool turgu on aga piiranud arengut seadme hind kui ka tühjendusrežiimiga seotud ebamugavused. 2009. aastal tutvustas EPC (inglise *Efficient Power Conversion*) korporatsioon esimest täiendusrežiimis GaN transistori, mis oli loodud spetsiaalselt MOSFET-i asendamiseks. Tooted on mõeldud suurtes kogustes ja väikeste kuludega tootmiseks, kasutades standardset räni tootmistehnoloogiaid. Peale seda hakkasid mitmed suured ettevõtted, nagu Fujitsu, Panasonic, MicroGaN ja Texas Instrument investeerima nendesse tehnoloogiatesse ja hakkasid arendama välja oma versioone galliumnitriid HEMT seadmetest. 2018. aastal töötas GaN Power International välja müügiloleva 1200 V GaN HEMT seadme, mis ületas oluliselt turul olnud 650 V GaN seadme. See oli võimalik tänu nende seadmete pakendamise viisile.

Vaata ka
--------

* MOSFET
* Transistor
* Väljatransistor
* Schottky barjäär

Viited
------

1. 1 2  "GALLIUM NITRIDE:The Fundamental Building Block for Power Electronics". Vaadatud 7. mail 2023.
2. 1 2  "What is GaN? Gallium Nitride (GaN) Semiconductors Explained". Vaadatud 7. mail 2023.
3. 1 2 3 4  "Gallium Nitride GaN FETs & HEMTs: what they are & how they work". Vaadatud 7. mail 2023.
4. ↑  "GaN Transistor for Several Power Applications". 25. märts 2020. Vaadatud 7. mail 2023.
5. 1 2 3  Lidow, Alex (5. juuni 2013). "How to GaN: Intro to Gallium Nitride (GaN) Transistor Technology". Vaadatud 7. mail 2023.
6. ↑  Shepard, Jeff (15. veebruar 2022). "What is d-GaN, e-GaN and v-GaN power?". Vaadatud 7. mail 2023.
7. ↑  "Where is GaN Going? Gallium Nitride Market, Applications & Future". Vaadatud 7. mail 2023.
8. ↑  "GaN HEMT Devices: History and Evolution From Eudyna to Major Manufacturers". 25. jaanuar 2023. Vaadatud 7. mail 2023.