Półprzewodniki odgrywają ważną rolę w przetwarzaniu energii w szerokim zakresie sprzętu elektronicznego, którego używamy na co dzień – od smartfonów i komputerów po fotowoltaikę i pojazdy elektryczne. Biorąc pod uwagę powszechne i globalne wykorzystanie półprzewodników, naukowcy skupiają się na poprawie ich wydajności energetycznej i opłacalności.
Duże postępy w tym kierunku poczyniono dzięki projektowi PowerBase, częściowo finansowanemu przez UE, w którym uczestniczy 39 partnerów z 9 krajów europejskich. Fundusze PowerBase przyczyniły się również do rozwoju nowej technologii podłoży z azotku galu (GaN), w oparciu o którą urządzenia zasilające będą mogły pracować przy napięciach przekraczających 650 V. Informacje o postępach zostały niedawno
ogłoszone przez pewne międzynarodowe centrum badań, rozwoju i innowacji z siedzibą w Belgii oraz amerykańską firmę zajmującą się produkcją półprzewodników. Ich wspólne wysiłki zaowocowały postępami w tworzeniu bardziej wydajnych półprzewodników mocy.
Wydajność energetyczna nowych urządzeń zasilających jest osiągana dzięki GaN, obiecującej technologii do zastosowań w półprzewodnikach mocy. Ciepło powstające w wyniku strat mocy jest jednym z głównych efektów ubocznych w elektronice. Urządzenia i obwody elektroniczne generują ciepło podczas pracy. Im więcej i szybciej pracują, tym więcej nadmiarowego ciepła generują, co ostatecznie pogarsza wydajność i prowadzi do ich przedwczesnej awarii. Dzięki większej wytrzymałości na przebicie i większej prędkości przełączania, GaN może zmniejszyć straty energii podczas konwersji mocy.
Dotychczas technologia GaN na podłożu krzemowym była wykorzystywana w komercyjnych urządzeniach GaN pracujących pod napięciem do 650 V, z warstwą buforową pomiędzy elementem GaN a podłożem silikonowym o grubości 200 mm. Okazało się jednak, że przy napięciach powyżej 650 V, w zastosowaniach takich jak energia odnawialna i pojazdy elektryczne, użycie urządzeń zasilających opartych na GaN jest problematyczne.
Trudność polega na zwiększeniu grubości bufora opartego na azotku glinowo-galowym (AlGaN), tak aby zapewnić wyższe napięcie przebicia i niską upływność. Wynika to z różnic współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między epitaksjalnymi warstwami GaN/AlGaN a podłożem krzemowym. Najprościej mówiąc: przy zmianach temperatury nie rozszerzają się one w jednakowym stopniu. Mimo że przy grubszych podłożach krzemowych nie występuje wypaczanie i wyginanie się płytek przy napięciu 900 V i wyższym, to w niektórych narzędziach przetwórczych powodują one inne problemy, takie jak utrata wytrzymałości mechanicznej i kompatybilności.
Problem został rozwiązany dzięki opracowaniu wysokowydajnych urządzeń zasilających p-GaN na podłożach o grubości 200 mm z materiałów o podobnym CTE. Rozszerzalność termiczna podłoży jest bardzo zbliżona do rozszerzalności
warstw epitaksjalnych GaN/AlGaN. Stanowi to bazę dla urządzeń mocy z buforami 900-1200 V i większymi na podłożach o standardowej grubości 200 mm i otwiera nowe, ekscytujące perspektywy dla przyszłych zastosowań komercyjnych.
W ramach zmierzającego już ku końcowi projektu PowerBase (Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications) prowadzone są prace nad rozwojem technologii półprzewodników o dużej mocy. Aby to osiągnąć, uczeni koncentrują się na stworzeniu specjalistycznej linii pilotażowej technologii GaN o szerokiej przerwie energetycznej i na redukcji ograniczeń obecnie stosowanych materiałów na bazie krzemu do produkcji półprzewodników mocy. Inne cele obejmowały wprowadzenie zaawansowanych rozwiązań opakowaniowych z dedykowanej linii pilotażowej zawierającej układy scalone oraz pokazanie potencjału innowacyjnego w wiodących dziedzinach zastosowań zasilania.
Więcej informacji:
strona internetowa projektu PowerBase
poleca:
