نتريد الغاليوم (GaN) أصبح أحد أهم مواد أشباه الموصلات لجيل القادمة من أجهزة الكترونيات القوية.وتتيح تحمل المجال الكهربائي القوي تردد تبديل أعلى وكثافة الطاقة من أجهزة السيليكون التقليديةومع ذلك ، يتم تحقيق أجهزة طاقة GaN دائمًا تقريبًا من خلال heteroepitaxy ، مما يعني أن GaN ينمو على رصيف غريب بدلاً من استخدامه في شكل كبير.

هذا يجعل اختيار الركيزة قرار تصميم أساسي بدلا من اختيار عملية ثانوية. من بين جميع الخيارات المتاحة،السيليكون (Si) وكربيد السيليكون (SiC) يهيمن على أجهزة الطاقة GaN الصناعية اليومعلى الرغم من أن كليهما يدعم ترانزستورات GaN عالية الأداء ، إلا أنهما يؤديان إلى سلوكيات أجهزة مختلفة بشكل أساسي ، وقيود النظام ، وحدود التطبيق.

لماذا الأساس مهم أكثر مما يبدو

في ترانزستور طاقة GaN ، فإن الركيزة تفعل أكثر بكثير من مجرد توفير الدعم الميكانيكي. فهي تؤثر على جودة الكريستال ، والتبديد الحراري ، وتطور الإجهاد ، والموثوقية على المدى الطويل.لأن GaN والرصيف تتوسع، تنقل الحرارة ، وتربط بشكل مختلف ، يحدد الركيزة بشكل فعال الحدود الفيزيائية التي يجب أن يعمل فيها جهاز GaN.

هناك ثلاثة حالات عدم تطابق المواد التي تحدد هذه العلاقة: عدم تطابق الشبكة، عدم تطابق التوسع الحراري، وعدم تطابق الموصلات الحرارية. السيليكون يقدم عدم تطابق كبير في جميع الفئات الثلاث،بينما SiC أقرب إلى GaN في الخصائص الجوهريةهذا الاختلاف يفسر لماذا يتطلب GaN على Si هندسة طبقة عازلة واسعة النطاق ، في حين أنغان على سي سييمكن أن تعتمد أكثر على التوافق المادي.

مقارنة مستوى المواد من Si و SiC الركائز

الخصائص الجوهرية للتركيبتين تشير بالفعل إلى أدوارهما المختلفة في أجهزة طاقة GaN.

أجزاء السيليكون الكبيرة تسمح بتخفيض التكلفة وارتفاع معدل الإنتاجفي حين أن التوافق الحراري والميكانيكي المتفوق من SiC يقلل من الإجهاد ويحسن إزالة الحرارة على مستوى الجهاز.

الآثار الكهربائية والحرارية على مستوى الجهاز

من وجهة نظر كهربائية، يمكن لكل من GaN-on-Si و GaN-on-SiC تحقيق سرعات التبديل العالية وانخفاض مقاومة التشغيل. تظهر الاختلافات الرئيسية عند زيادة الجهد التقديري والإجهاد الحراري.

عادة ما يتم تحسين أجهزة GaN-on-Si لفئة 600 ∼ 650 V ، والتي تتوافق بشكل جيد مع الإلكترونيات الاستهلاكية ومصادر الطاقة للخوادم.يمكن أن تمتد أجهزة GaN-on-SiC بسهولة إلى نطاقات الجهد العالية مع الحفاظ على أداء مستقر تحت درجة حرارة مرتفعة.

هذه الاختلافات لا تترجم بالضرورة إلى فجوات فورية في الأداء، لكنها تحدد مدى عدوانية جهاز يمكن أن يتم تشغيله قبل أن تصبح الموثوقية مصدر قلق.

منظور التطبيق: حيث يتفوق كل رصيف

على مستوى التطبيق ، يصبح اختيار الركيزة أكثر وضوحًا عندما يتم النظر في قيود النظام.

بالنسبة إلى الشواحن السريعة للمستهلكين ومحولات أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومصادر الطاقة للخادم ، تهيمن التكلفة والحجم والكفاءة على أهداف التصميم.ويمكن التعامل مع التحديات الحرارية من خلال التعبئة والتبريد على مستوى النظامفي هذا المجال ، يقدم GaN-on-Si التوازن الأكثر جاذبية بين الأداء والتكلفة.

على النقيض من ذلك ، فإن محولات 48 فولت DC-DC عالية الكثافة ، وأجهزة الكترونيات للسيارات ، وأنظمة الطاقة الصناعية تضع تركيزًا أكبر على الحد الحراري والاستقرار على المدى الطويل.القدرة الفائقة على انتشار الحرارة من SiC تسمح لأجهزة GaN على SiC بالحفاظ على الأداء تحت الحمل العالي المستمر دون تخفيض العدواني.

في مستويات الجهد والطاقة أعلى، مثل محولات الطاقة المتجددة أو مفكّكات الدوائر الصلبة، يصبح GaN-on-SiC الخيار العملي.مزيج من مساحة رأس الجهد العالية والصمود الحراري يفوق تكلفة الوافر العالية.

التكلفة هي متغير النظام، وليس سعر الوافر

من المغري أن نستنتج أن GaN-on-Si هو الخيار منخفض التكلفة و GaN-on-SiC هو الأكثر تكلفة. في الواقع ، يجب تقييم التكلفة على مستوى النظام.قد تتطلب تكلفة أقل للجهاز على السيليكون ظروف تشغيل أكثر تحفظًاالحلول القائمة على SiC غالبا ما تقلل من تعقيد التبريد وتطيل عمر التشغيل.

مع زيادة متطلبات كثافة الطاقة والموثوقية ، يمكن أن تصبح إجمالي تكلفة الملكية لـ GaN على SiC تنافسية أو حتى أقل.

الاستنتاج: اختيار القالب هو فلسفة تصميم

الاختيار بين GaN-on-Si و GaN-on-SiC لا يتعلق باختيار مادة أفضل في عزلة.يتعلق الأمر بالقرار أين يجب استيعاب القيود الفيزيائية من خلال هندسة الجهاز أو من خلال تصميم النظام.

يشدد GaN-on-Si على التوسع والكفاءة الاقتصادية. يشدد GaN-on-SiC على الاستقرار الحراري ومجال الأداء. إن فهم هذا التمييز ضروري لجعلالقرارات القائمة على التطبيقات في إلكترونيات الطاقة GaN.