Azotek galu (GaN) stał się jednym z najważniejszych materiałów półprzewodnikowych dla elektroniki mocy nowej generacji. Jego szeroka przerwa energetyczna, wysoka ruchliwość elektronów i duża tolerancja na pole elektryczne umożliwiają wyższą częstotliwość przełączania i gęstość mocy niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń krzemowych. Jednak urządzenia mocy GaN są prawie zawsze realizowane poprzez heteroepitaksję, co oznacza, że GaN jest hodowany na obcym podłożu, a nie używany w postaci objętościowej.

To sprawia, że wybór podłoża jest podstawową decyzją projektową, a nie drugorzędnym wyborem procesu. Spośród wszystkich dostępnych opcji, krzem (Si) i węglik krzemu (SiC) dominują dziś w przemysłowych urządzeniach mocy GaN. Chociaż oba obsługują wysokowydajne tranzystory GaN, prowadzą do zasadniczo różnych zachowań urządzeń, ograniczeń systemowych i granic zastosowań.

Dlaczego podłoże ma większe znaczenie niż się wydaje

W tranzystorze mocy GaN podłoże robi znacznie więcej niż tylko zapewnia wsparcie mechaniczne. Wpływa na jakość kryształu, rozpraszanie ciepła, ewolucję naprężeń i długoterminową niezawodność. Ponieważ GaN i podłoże rozszerzają się, przewodzą ciepło i wiążą się w różny sposób, podłoże skutecznie wyznacza fizyczne granice, w których musi działać urządzenie GaN.

Trzy niedopasowania materiałowe definiują tę relację: niedopasowanie sieci krystalicznej, niedopasowanie rozszerzalności cieplnej i niedopasowanie przewodności cieplnej. Krzem wykazuje duże niedopasowanie we wszystkich trzech kategoriach, podczas gdy SiC jest znacznie bliżej GaN pod względem właściwości wewnętrznych. Ta różnica wyjaśnia, dlaczego GaN-na-Si wymaga rozbudowanej inżynierii warstwy buforowej, podczas gdy GaN-na-SiC może bardziej polegać na kompatybilności materiałowej.

Porównanie materiałowe podłoży Si i SiC

Właściwości wewnętrzne obu podłoży sugerują już ich różne role w urządzeniach mocy GaN.

Większe wafle krzemowe umożliwiają niższe koszty i wyższą przepustowość produkcji, podczas gdy doskonała kompatybilność termiczna i mechaniczna SiC zmniejsza naprężenia i poprawia odprowadzanie ciepła na poziomie urządzenia.

Implikacje elektryczne i termiczne na poziomie urządzenia

Z elektrycznego punktu widzenia zarówno GaN-na-Si, jak i GaN-na-SiC mogą osiągnąć wysokie prędkości przełączania i niską rezystancję w stanie włączenia. Główne różnice pojawiają się, gdy wzrasta napięcie znamionowe i obciążenie termiczne.

Urządzenia GaN-na-Si są zwykle optymalizowane dla klasy 600–650 V, co dobrze pasuje do elektroniki użytkowej i zasilaczy serwerowych. Urządzenia GaN-na-SiC mogą z łatwością rozszerzyć się na wyższe zakresy napięć, zachowując stabilną wydajność w podwyższonej temperaturze.

Te różnice niekoniecznie przekładają się na natychmiastowe luki w wydajności, ale definiują, jak agresywnie można napędzać urządzenie, zanim niezawodność stanie się problemem.

Perspektywa zastosowania: gdzie każde podłoże się sprawdza

Na poziomie aplikacji wybór podłoża staje się jaśniejszy, gdy uwzględnia się ograniczenia systemowe.

W przypadku szybkich ładowarek konsumenckich, adapterów do laptopów i zasilaczy serwerowych, koszty, rozmiar i wydajność dominują cele projektowe. Napięcia robocze mieszczą się w strefie komfortu GaN-na-Si, a wyzwania termiczne można zarządzać poprzez pakowanie i chłodzenie na poziomie systemu. W tej domenie GaN-na-Si oferuje najbardziej atrakcyjną równowagę między wydajnością a kosztem.

Z drugiej strony, konwertery DC-DC 48 V o dużej gęstości, elektronika samochodowa i przemysłowe systemy zasilania kładą znacznie większy nacisk na margines termiczny i długoterminową stabilność. Tutaj, doskonała zdolność SiC do rozpraszania ciepła pozwala urządzeniom GaN-na-SiC utrzymać wydajność przy ciągłym dużym obciążeniu bez agresywnego obniżania parametrów.

Na jeszcze wyższych poziomach napięcia i mocy, takich jak falowniki energii odnawialnej lub półprzewodnikowe wyłączniki obwodu, GaN-na-SiC staje się praktycznym wyborem. Połączenie wyższego zapasu napięcia i wytrzymałości termicznej przeważa nad wyższym kosztem wafla.

Koszt jest zmienną systemową, a nie ceną wafla

Kuszące jest stwierdzenie, że GaN-na-Si jest opcją niskokosztową, a GaN-na-SiC jest opcją drogą. W rzeczywistości koszt należy oceniać na poziomie systemu. Niższy koszt urządzenia na krzemie może wymagać bardziej konserwatywnych warunków pracy, większych radiatorów lub bardziej rygorystycznych marginesów obniżania parametrów. Rozwiązania oparte na SiC często zmniejszają złożoność chłodzenia i wydłużają żywotność operacyjną.

Wraz ze wzrostem gęstości mocy i wymagań dotyczących niezawodności, całkowity koszt posiadania dla GaN-na-SiC może stać się konkurencyjny, a nawet niższy.

Wniosek: Wybór podłoża to filozofia projektowania

Wybór między GaN-na-Si a GaN-na-SiC nie polega na wyborze lepszego materiału w izolacji. Chodzi o podjęcie decyzji, gdzie należy pochłonąć ograniczenia fizyczne - przez inżynierię urządzenia lub przez projekt systemu.

GaN-na-Si kładzie nacisk na skalowalność i efektywność ekonomiczną. GaN-na-SiC kładzie nacisk na stabilność termiczną i zapas wydajności. Zrozumienie tego rozróżnienia jest niezbędne do podejmowania racjonalnych, opartych na zastosowaniach decyzji w elektronice mocy GaN.