El nitruro de galio (GaN) se ha convertido en uno de los materiales semiconductores más importantes para la electrónica de potencia de próxima generación.y una fuerte tolerancia al campo eléctrico permiten una mayor frecuencia de conmutación y densidad de potencia que los dispositivos de silicio convencionalesSin embargo, los dispositivos de potencia de GaN casi siempre se realizan a través de la heteroepitaxia, lo que significa que el GaN se cultiva en un sustrato extraño en lugar de usarse a granel.

Esto hace que la selección del sustrato sea una decisión de diseño fundamental en lugar de una elección de proceso secundario.El silicio (Si) y el carburo de silicio (SiC) dominan hoy los dispositivos industriales de energía GaNAunque ambos soportan transistores GaN de alto rendimiento, conducen a comportamientos de dispositivos, restricciones del sistema y límites de aplicación fundamentalmente diferentes.

Por qué el sustrato es más importante de lo que parece

En un transistor de potencia GaN, el sustrato hace mucho más que proporcionar soporte mecánico. Influye en la calidad del cristal, la disipación térmica, la evolución del estrés y la fiabilidad a largo plazo.Porque el GaN y el sustrato se expanden, conducen el calor y se unen de manera diferente, el sustrato establece efectivamente los límites físicos dentro de los cuales el dispositivo GaN debe operar.

Tres desajustes de material definen esta relación: desajuste de red, desajuste de expansión térmica y desajuste de conductividad térmica.mientras que el SiC está mucho más cerca de GaN en propiedades intrínsecasEsta diferencia explica por qué el GaN sobre el Si requiere una ingeniería extensa de capa tampón, mientras que el GaN sobre el Si requiere una ingeniería de capa tampón extensa.GaN sobre SiCLa compatibilidad de las materias primas puede basarse más en la compatibilidad de los materiales.

Comparación a nivel de material de los sustratos de Si y SiC

Las propiedades intrínsecas de los dos sustratos ya sugieren sus diferentes roles en los dispositivos de energía GaN.

Las obleas de silicio más grandes permiten un menor costo y un mayor rendimiento de fabricación,Mientras que la compatibilidad superior térmica y mecánica de SiC reduce la tensión y mejora la eliminación de calor a nivel del dispositivo.

Implicaciones eléctricas y térmicas a nivel del dispositivo

Desde un punto de vista eléctrico, tanto GaN-on-Si como GaN-on-SiC pueden lograr altas velocidades de conmutación y baja resistencia de encendido.

Los dispositivos GaN-on-Si generalmente están optimizados para la clase de 600?? 650 V, que se alinea bien con la electrónica de consumo y las fuentes de alimentación de servidores.Los dispositivos GaN-on-SiC pueden extenderse cómodamente a rangos de voltaje más altos mientras mantienen un rendimiento estable bajo temperaturas elevadas.

Estas diferencias no se traducen necesariamente en brechas de rendimiento inmediatas, pero definen cuán agresivamente se puede conducir un dispositivo antes de que la fiabilidad se convierta en una preocupación.

Perspectiva de aplicación: donde cada sustrato sobresale

A nivel de aplicación, la elección del sustrato se hace más clara cuando se consideran las limitaciones del sistema.

Para los cargadores rápidos de consumo, los adaptadores de portátiles y las fuentes de alimentación de servidores, el costo, el tamaño y la eficiencia dominan los objetivos de diseño.y los desafíos térmicos se pueden gestionar mediante el embalaje y la refrigeración a nivel del sistemaEn este ámbito, el GaN-on-Si ofrece el equilibrio más atractivo entre el rendimiento y el coste.

Por el contrario, los convertidores DC-DC de alta densidad de 48 V, la electrónica automotriz y los sistemas de energía industrial ponen mucho más énfasis en el margen térmico y la estabilidad a largo plazo.La capacidad superior de propagación de calor del SiC permite que los dispositivos GaN-on-SiC mantengan el rendimiento bajo una carga alta continua sin una degradación agresiva.

En niveles de voltaje y potencia aún más altos, como los inversores de energía renovable o los interruptores de estado sólido, el GaN-on-SiC se convierte en la opción práctica.La combinación de mayor espacio para la cabeza de voltaje y robustez térmica supera el mayor costo de la oblea.

El costo es una variable del sistema, no un precio de la oblea

Es tentador concluir que el GaN-on-Si es la opción de bajo coste y el GaN-on-SiC es la más cara.El menor coste del dispositivo en silicio puede requerir condiciones de funcionamiento más conservadorasLas soluciones basadas en SiC a menudo reducen la complejidad de refrigeración y amplían la vida útil.

A medida que aumentan los requisitos de densidad de potencia y fiabilidad, el coste total de propiedad del GaN sobre SiC puede volverse competitivo o incluso más bajo.

Conclusión: La elección del sustrato es una filosofía de diseño

Elegir entre GaN-on-Si y GaN-on-SiC no se trata de seleccionar un mejor material aislado.Se trata de decidir dónde deben absorberse las limitaciones físicas –por la ingeniería de dispositivos o por el diseño de sistemas..

GaN-on-Si hace hincapié en la escalabilidad y la eficiencia económica. GaN-on-SiC hace hincapié en la estabilidad térmica y la capacidad de rendimiento.decisiones basadas en aplicaciones en electrónica de potencia GaN.