In de afgelopen jaren hebben krachthalve halfgeleiders op basis van galliumnitride (GaN) een snelle groei doorgemaakt.apparaten met een hoge energie-dichtheid in toepassingen zoals hernieuwbare energie, 5G-communicatie, elektrische voertuigen en datacenters, traditionele op silicium gebaseerde energie-apparaten bereiken hun prestatielimieten.GaN-on-Silicon (GaN-on-Si) -wafers bieden een veelbelovende oplossing door apparaten te maken die op hogere frequenties kunnen werkenIn dit artikel worden de unieke voordelen vanGaN-op-Si-wafersen hun cruciale rol in de moderne power halfgeleider technologie.

1Structuur en belangrijkste kenmerken van GaN-on-Si-wafers

GaN-on-Si-wafers worden geproduceerd door een GaN-laag op een siliciumsubstraat te laten groeien.

1. Hoge elektronenmobiliteit: De elektronmobiliteit van GaN is aanzienlijk hoger dan die van silicium, waardoor hogere stroomdichtheden en snellere schakelsnelheden in apparaten van vergelijkbare grootte mogelijk zijn.

2. Hoge breukspanning: Met een brede bandgap van ongeveer 3,4 eV kan GaN veel hogere elektrische velden onderhouden dan silicium, waardoor stroomapparaten zonder storing hogere spanningen kunnen verwerken.

3. Thermische prestaties: GaN-on-Si-apparaten kunnen hogere bedrijfstemperaturen verdragen, waardoor de noodzaak van complexe koelsystemen wordt verminderd.

4. Kosteneffectief substraat: siliciumwafers zijn wijd verkrijgbaar en goedkoper dan SiC of saffier, waardoor GaN-on-Si gebruik kan maken van de bestaande productie-infrastructuur voor siliciumwafers,het verlagen van de productiekosten en het vergemakkelijken van grootschalige inzet.

2Voordelen in krachtssemiconductortoepassingen

GaN-op-Si-wafers hebben het landschap van de krachtelektronica veranderd door superieure prestatiemetrics te bieden in vergelijking met silicium-gebaseerde apparaten:

• Hoge schakelfrequentie: Door de hoge elektronenmobiliteit en de lage parasitaire capaciteit van GaN kunnen apparaten werken op schakelfrequenties in het bereik van MHz,verbetering van de efficiëntie en vermindering van de grootte van passieve componenten zoals inductoren en condensatoren.

• Verminderde geleidingsverliezen: Een lagere weerstand en een hogere stroomdichtheid stellen GaN-apparaten in staat om meer vermogen te verwerken met minimaal energieverlies.

• Compacte en lichte ontwerpen: Hoog rendement en hoge frequentie maken kleinere krachtomvormers mogelijk, wat van cruciaal belang is voor elektrische voertuigen, ruimtevaart en draagbare elektronica.

• Verbeterd warmtebeheer: GaN-on-Si-apparaten genereren minder warmte voor dezelfde vermogenstoename, waardoor het thermisch beheer eenvoudiger en betrouwbaarder wordt.

3. Toepassingen van GaN-op-Si-vermogenstoestellen

GaN-op-Si-wafers zijn gebruikt in een breed scala van high-performance krachtelektronica:

1. Elektrische voertuigen: Inverters en laadapparaten op het voertuig hebben een hoger rendement en een kleinere afmeting, waardoor het rijbereik wordt vergroot en het gewicht van het voertuig wordt verminderd.

2. Datacenters en servervoorraden: High-efficiency GaN-gebaseerde vermogen modules verminderen het energieverbruik en de warmteopwekking in hoge dichtheid computing omgevingen.

3. 5G-telecommunicatie: GaN maakt RF-versterkers en DC-DC-omvormers met snelle schakeling mogelijk, waardoor hogere gegevenssnelheden en lagere latentie worden ondersteund.

4. Hernieuwbare energiesystemen: Zonne-omvormers en energieopslagsystemen maken gebruik van de hoge efficiëntie en thermische robuustheid van GaN om een betere omzetting en betrouwbaarheid van energie te garanderen.

4Uitdagingen en toekomstperspectieven

Ondanks de voordelen van de GaN-on-Si-technologie worden uitdagingen geconfronteerd:

• Griet en thermische mismatch: Het verschil in thermische uitbreiding tussen GaN en Si kan stress veroorzaken, wat mogelijk waferboog of defecten kan veroorzaken.Er worden geavanceerde epitaxiale technieken en bufferlagen ingezet om deze problemen te verzachten.

• Kosten-prestatieverhouding: Hoewel het goedkoper is dan SiC, vereist GaN-on-Si nog steeds gespecialiseerde verwerking en verpakking om op betrouwbare wijze met krachtige toepassingen om te gaan.

• Industriële normalisatie: Naarmate de toepassing van GaN-on-Si toeneemt, is het noodzakelijk om de kenmerken van de apparaten te standaardiseren en de betrouwbaarheidstests uit te voeren om een brede integratie te vergemakkelijken.

In de toekomst zal de voortdurende verbetering van de waferkwaliteit, de epitaxiale groei en de verpakking van apparaten de rol van GaN-on-Si ̊ in de krachtelektronica verder uitbreiden.hoogspanningsbehandeling, en de kosteneffectiviteit plaatst het als een hoeksteen technologie voor de volgende generatie power halfgeleider oplossingen.

Conclusies

GaN-op-Si-wafers herdefiniëren de mogelijkheden van vermogensemiconductoren door de combinatie van hoge elektronmobiliteit, brede bandgap eigenschappen en compatibiliteit met silicium productie infrastructuur.GaN-on-Si maakt apparaten mogelijk die sneller zijnDe vraag naar krachtelektronica met hoge prestaties blijft groeien, maar het is nog steeds moeilijk om de kwaliteit van de technologie te verbeteren.GaN-op-Si-wafers zullen een steeds belangrijkere rol spelen bij het vormgeven van de toekomst van energiezuinige en hoogdichte elektronische systemen.