Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) έχει γίνει ένα από τα σημαντικότερα υλικά ημιαγωγών για την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος.και ισχυρή ανοχή ηλεκτρικού πεδίου επιτρέπουν υψηλότερη συχνότητα διακόπτη και πυκνότητα ισχύος από τις συμβατικές συσκευές πυριτίουΩστόσο, οι συσκευές ισχύος GaN σχεδόν πάντα πραγματοποιούνται μέσω ετεροεπιταξίας, πράγμα που σημαίνει ότι το GaN καλλιεργείται σε ένα ξένο υπόστρωμα αντί να χρησιμοποιείται σε χύδη μορφή.

Αυτό καθιστά την επιλογή υποστρώματος μια θεμελιώδης απόφαση σχεδιασμού και όχι μια δευτερεύουσα επιλογή διαδικασίας.Το πυρίτιο (Si) και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) κυριαρχούν στις βιομηχανικές συσκευές ηλεκτρικής ενέργειας GaN σήμεραΠαρόλο που και τα δύο υποστηρίζουν τρανζίστορες GaN υψηλής απόδοσης, οδηγούν σε θεμελιωδώς διαφορετικές συμπεριφορές συσκευών, περιορισμούς συστήματος και όρια εφαρμογής.

Γιατί το Υπόστρωμα Έχει Περισσότερη Σημασία από Ό,τι Φαίνεται

Σε ένα τρανζίστορ ισχύος GaN, το υπόστρωμα κάνει πολύ περισσότερα από το να παρέχει μηχανική υποστήριξη.Επειδή το GaN και το υπόστρωμα επεκτείνονται, διεξάγουν θερμότητα και συνδέονται διαφορετικά, το υπόστρωμα καθορίζει αποτελεσματικά τα φυσικά όρια εντός των οποίων πρέπει να λειτουργεί η συσκευή GaN.

Τρεις υλικές ασυμφωνίες καθορίζουν αυτή τη σχέση: ασυμφωνία πλέγματος, ασυμφωνία θερμικής διαστολής και ασυμφωνία θερμικής αγωγιμότητας.ενώ το SiC είναι πολύ πιο κοντά στο GaN στις εγγενείς του ιδιότητεςΗ διαφορά αυτή εξηγεί γιατί το GaN-on-Si απαιτεί εκτεταμένη μηχανική στρώσης θωρακιστή, ενώ το GaN-on-Si απαιτεί μια εκτεταμένη μηχανική στρώσης θωρακιστή.GaN-on-SiCΗ διαφορά μεταξύ των δύο πτυχών είναι πολύ σημαντική.

Σύγκριση των υποστρωμάτων Si και SiC σε επίπεδο υλικού

Οι εγγενείς ιδιότητες των δύο υπόστρωτων υποδηλώνουν ήδη τους διαφορετικούς ρόλους τους στις συσκευές ισχύος GaN.

Μεγαλύτερες πλάκες πυριτίου επιτρέπουν χαμηλότερο κόστος και υψηλότερη απόδοση παραγωγής,ενώ η ανώτερη θερμική και μηχανική συμβατότητα του SiC μειώνει το στρες και βελτιώνει την απομάκρυνση της θερμότητας σε επίπεδο συσκευής.

Ηλεκτρικές και θερμικές επιπτώσεις σε επίπεδο συσκευής

Από ηλεκτρική άποψη, τόσο το GaN-on-Si όσο και το GaN-on-SiC μπορούν να επιτύχουν υψηλές ταχύτητες διακόπτη και χαμηλή αντίσταση.

Οι συσκευές GaN-on-Si είναι συνήθως βελτιστοποιημένες για την κατηγορία 600 ̇ 650 V, η οποία ευθυγραμμίζεται καλά με τα ηλεκτρονικά είδη καταναλωτών και τις πηγές ρεύματος των διακομιστών.Οι συσκευές GaN-on-SiC μπορούν άνετα να επεκταθούν σε υψηλότερα εύρους τάσης διατηρώντας σταθερή απόδοση υπό αυξημένη θερμοκρασία.

Αυτές οι διαφορές δεν μεταφράζονται απαραίτητα σε άμεσα κενά απόδοσης, αλλά καθορίζουν πόσο επιθετικά μπορεί να οδηγηθεί μια συσκευή πριν η αξιοπιστία γίνει μια ανησυχία.

Προοπτική εφαρμογής: Όπου κάθε υπόστρωμα υπερέχει

Σε επίπεδο εφαρμογής, η επιλογή του υποστρώματος γίνεται σαφέστερη όταν λαμβάνονται υπόψη οι περιορισμοί του συστήματος.

Για ταχεία φορτιστήρια καταναλωτών, προσαρμογείς φορητών υπολογιστών και τροφοδοσίες ηλεκτρικής ενέργειας διακομιστών, το κόστος, το μέγεθος και η αποτελεσματικότητα κυριαρχούν στους στόχους σχεδιασμού.και θερμικές προκλήσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν μέσω συσκευασίας και ψύξης σε επίπεδο συστήματοςΣτο πεδίο αυτό, το GaN-on-Si προσφέρει την πιο ελκυστική ισορροπία μεταξύ απόδοσης και κόστους.

Αντίθετα, οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος 48 V υψηλής πυκνότητας, τα ηλεκτρονικά οχήματα και τα βιομηχανικά συστήματα ενέργειας δίνουν πολύ μεγαλύτερη έμφαση στο θερμικό περιθώριο και τη μακροχρόνια σταθερότητα.η ανώτερη ικανότητα διάχυσης θερμότητας του SiC επιτρέπει στις συσκευές GaN-on-SiC να διατηρούν τις επιδόσεις τους υπό συνεχές υψηλό φορτίο χωρίς επιθετική μείωση της θερμότητας.

Σε ακόμη υψηλότερα επίπεδα τάσης και ισχύος, όπως οι μετατροπείς ανανεώσιμης ενέργειας ή οι διακόπτες στερεής κατάστασης, το GaN-on-SiC γίνεται η πρακτική επιλογή.Ο συνδυασμός του υψηλότερου χώρου κεφαλής τάσης και της θερμικής ανθεκτικότητας υπερτερεί του υψηλότερου κόστους των πλακών.

Το κόστος είναι μια μεταβλητή συστήματος, όχι μια τιμή κυψέλης

Είναι δελεαστικό να συμπεράνουμε ότι το GaN-on-Si είναι η επιλογή χαμηλού κόστους και το GaN-on-SiC είναι το ακριβό.Το χαμηλότερο κόστος συσκευής σε πυρίτιο μπορεί να απαιτεί πιο συντηρητικές συνθήκες λειτουργίαςΟι λύσεις που βασίζονται σε SiC συχνά μειώνουν την πολυπλοκότητα της ψύξης και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της.

Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις πυκνότητας ισχύος και αξιοπιστίας, το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας για το GaN-on-SiC μπορεί να γίνει ανταγωνιστικό ή ακόμη χαμηλότερο.

Συμπέρασμα: Η επιλογή υποστρώματος είναι μια φιλοσοφία σχεδιασμού

Η επιλογή μεταξύ GaN-on-Si και GaN-on-SiC δεν είναι να επιλέξεις ένα καλύτερο υλικό μεμονωμένα.Πρόκειται για την απόφαση για το πού θα πρέπει να απορροφηθούν οι φυσικοί περιορισμοί με τη μηχανική συσκευών ή με τον σχεδιασμό συστημάτων..

Το GaN-on-Si δίνει έμφαση στην επεκτασιμότητα και την οικονομική απόδοση.αποφάσεις που βασίζονται σε εφαρμογές στην ηλεκτρονική ισχύος GaN.