Trong quá trình phát triển của nền công nghiệp bán dẫn, Silicon đã trở thành một nền móng vững chắc trong suốt hơn nửa thế kỷ qua. Từ những ứng dụng nhỏ như vi xử lý tính toán đến các linh kiện chuyển mạch công suất lớn, Silicon luôn đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, các vật liệu Silicon truyền thống đã bắt đầu chạm tới những giới hạn vật ký căn bản do các hệ thống điện tử hiện đại thường đòi hỏi các yêu cầu khắt khe hơn như mật độ công suất ngày càng cao, hiệu suất vượt trội trong khi kích thước phải được thu nhỏ tối đa. Chính vì vậy, các chất bán dẫn khe băng rộng đã ra đời nhằm khắc phục những rào cản này, trong đó nổi bật nhất là Gallium Nitride (GaN) . Trong đó, transistor GaN sẽ đại diện cho cả một sự thay đổi mô hình toàn diện về cách thức các mạch điện tử chuyển đổi và kiểm soát năng lượng, thay vì chỉ đơn thuần là một linh kiện thay thế trực tiếp cho Silicon MOSFET hay IGBT.

Bản chất vật lý của vật liệu bán dẫn khe băng rộng

Theo tính chất vật lý, Gallium Natride là hợp chất bán dẫn nhị phân được cấu tạo từ các nguyên tử Gallium và Nitơ liên kết chặt chẽ theo cấu trúc mạng tinh thể wurzite. Trong đó, độ rộng khe băng của GaN có thể đạt đến mức 3.4 eV và cao hơn gấp ba lần so với các loại Silicon khi chúng chỉ đạt được số 1.1 eV. Điều này được xem là điểm cốt lõi tạo nên sự vượt trội của GaN so với các loại vật liệu thông thường. Cụ thể hơn, khi GaN có khe băng rộng hơn, chúng sẽ tạo điều kiện cho các electron ở dải hóa trị cần nhiều năng lượng hơn để kích thích nhảy lên dải dẫn, điều này trực tiếp giúp linh kiện có thể duy trì được trạng thái cách điện ổn định ngay cả ở mức điều kiện khắc nghiệt. Ví dụ, chúng có thể hoạt động ở mức điện áp và nhiệt độ hoạt động cao mà không hề bị đánh thủng bởi kích thích nhiệt nội tại.

Không chỉ có ưu thế thế khe băng rộng, hợp chất Gallium Nitride còn sở hữu điện trường đánh thủng tới hạn (Critical Breakdown Field) rất cao, đạt khoảng 3,3 MV/cm – ước tính cao gấp 10 lần so với Silicon thông thường . Chính nhờ điều này mà trong cùng một mức điện áp hoạt động, các kỹ sư có thể thiết kế transistor GaN với lớp suy giảm mỏng hơn rất nhiều so với các phương pháp truyền thống cũ. Điều này cũng trực tiếp kéo theo những lợi ích đáng kể như điện trở dẫn khi bật sẽ thấp hơn đáng kể trên cùng một diện tích bề mặt chip do lớp vật liệu sẽ mỏng hơn, từ đó trong quá trình linh kiện dẫn dòng điện thì chúng có thể triệt hầu hết các tổn hao dẫn.

Các ưu điểm của GaN so với Silicon truyền thống

So với Silicon truyền thống, tốc độ đóng cắt cực nhanh và tổn hao năng lượng siêu thấp được xem là một trong những lợi thế cạnh tranh lớn nhất của GaN. So với Silicon MOSFET ở cùng công suất định mức, điện dung ký sinh giữa các cực của GaN sẽ nhỏ hơn từ 5 đến 10 lần nhờ kích thước khuôn die và cấu trúc kênh dẫn ngang của chúng. Không chỉ vậy, GaN HEMT còn có điện tích hồi phục ngược bằng không do chúng hoàn toàn không có tiếp giáp p-n truyền thống giữa cực thân và cực máng.

Chính điều này đã cho phép linh kiện hoạt động ở tần số chuyển mạch lên tới hàng trăm kHz hoặc MHz mà không gây ra hiện tượng sụt giảm hiệu suất do tổn hao đóng cắt nhờ việc chúng triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng phục hồi ngược. Tiếp đó, kích thước và khối lượng của các phần tử thụ động đi kèm như cuộn cảm, biến áp xung và tụ điện trong bộ biến đổi cũng có thể giảm xuống theo tỷ lệ nghịch và trực tiếp nâng cao mật độ công suất tổng thể khi tần số chuyển mạch được đẩy lên cao gấp nhiều lần. Từ đó, các bộ tản nhiệt kim loại cồng kềnh cũng trở nên nhỏ gọn hơn hay có thể bị loại bỏ hoàn toàn do tổn hao nhiệt đã được giảm đáng kể.

Ứng dụng thực tế của GaN trong đời sống và trong lĩnh vực công nghiệp

Hiện nay, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo GaN trên đế Silicon đã góp phần giảm giá thành sản xuất thương mại, từ đó mở đường cho sự bùng nổ của transistor GaN trên nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau. Một số lĩnh vực nổi bật có thể nhắc đến như lĩnh vực điện tử tiêu dùng, trung tâm dữ liệu và hạ tầng tính toán AI, lĩnh vực xe điện và năng lượng tái tạo, điện tử công suất,…

Đối với lĩnh vực điện tử tiêu dùng, GaN được xem như là một làn gió mới để chuyển hóa hoàn toàn thị trường củ sạc nhanh trong các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính bảng và laptop. Cụ thể, những củ sạc sử dụng công nghệ GaN có kích thước nhỏ hơn khoảng một nửa so với các sạc Silicon cùng công suất, nhưng chúng lại có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 95% và còn được hỗ trợ tiêu chuẩn công suất lớn lên tới hàng trăm watt.

Trong việc phát triển trung tâm dữ liệu và hạ tầng tính toán AI, lĩnh vực này thường tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ, nên chúng đòi hỏi các bộ cấp nguồn phải đạt được tiêu chuẩn hiệu suất Titanium lớn hơn 96%. Chính vì vậy, transistor GaN sẽ được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các tầng chỉnh lưu hệ số công suất không cầu nối và các tầng chuyển đổi DC-DC nhằm cắt giảm một lượng tổn thất điện năng lớn và giảm được gánh nặng cho các tải làm mát.

Đối với lĩnh vực xe điện và năng lượng tái tạo, công nghệ GaN cũng đã chứng minh được nhiều ưu thế vượt trội ở nhiều phần như các bộ sạc tích hợp trên xe, b ộ chuyển đổi điện áp hay các bộ nghịch lưu vi mô dành cho hệ thống điện mặt trời áp mái.

Không chỉ vậy, công nghệ GaN cũng chứng minh được tính ưu việt của nó trong lĩnh vực điên tử công suất như vi ba và vô tuyến. Cụ thể hơn, GaN nhờ có độ bão hòa vận tốc electron cao mà chúng có thể khuếch đại được tín hiệu công suất lớn ở các dải tần số cao. Từ đó, chúng đã trở thành yếu tố cốt lõi trong các trạm phát sóng viễn thông 5G/6G.