Galiyum nitrit (GaN), yeni nesil güç elektronikleri için en önemli yarı iletken malzemelerden biri haline geldi.ve güçlü elektrik alanı toleransı geleneksel silikon cihazlardan daha yüksek anahtarlama frekansı ve güç yoğunluğuna izin verirBununla birlikte, GaN güç cihazları neredeyse her zaman heteroepitaxy yoluyla gerçekleştirilir, yani GaN toplu olarak kullanılmak yerine yabancı bir substrat üzerinde yetiştirilir.

Bu, altyapı seçimini ikincil bir süreç seçimi yerine temel bir tasarım kararı haline getirir.Silikon (Si) ve silikon karbür (SiC) bugün endüstriyel GaN güç cihazlarına hakimdirHer ikisi de yüksek performanslı GaN transistörlerini desteklemesine rağmen, temel olarak farklı cihaz davranışlarına, sistem kısıtlamalarına ve uygulama sınırlarına yol açarlar.

Altyapının Görünüşten Daha Önemli Olmasının Nedeni

Bir GaN güç transistöründe substrat mekanik destek sağlamaktan çok daha fazlasını yapar. Kristal kalitesini, ısı dağılımını, stres evrimini ve uzun vadeli güvenilirliği etkiler.Çünkü GaN ve substrat genişliyor., ısıyı farklı bir şekilde yürütür ve bağlanır, alt katman GaN cihazının çalışması gereken fiziksel sınırları etkin bir şekilde belirler.

Bu ilişkiyi üç malzeme uyumsuzluğu tanımlar: ızgara uyumsuzluğu, termal genişleme uyumsuzluğu ve termal iletkenlik uyumsuzluğu.SiC ise içsel özellikleri bakımından GaN'e çok daha yakındır.Bu fark, GaN-on-Si'nin neden kapsamlı bir tampon katman mühendisliği gerektirdiğini açıklarken,GaN-on-SiCmalzeme uyumluluğuna daha fazla güvenebilir.

Si ve SiC substratlarının malzeme düzeyinde karşılaştırılması

İki substratın içsel özellikleri, GaN güç cihazlarında farklı rollerini zaten göstermektedir.

Daha büyük silikon levhalar daha düşük maliyet ve daha yüksek üretim oranı sağlar.SiC'nin üstün termal ve mekanik uyumluluğu, gerginliği azaltır ve cihaz düzeyinde ısı uzaklaştırmasını iyileştirir.

Cihaz düzeyinde elektrik ve termal etkileri

Elektriksel açıdan, hem GaN-on-Si hem de GaN-on-SiC yüksek anahtarlama hızları ve düşük direnç elde edebilir.

GaN-on-Si cihazları, genellikle tüketici elektroniği ve sunucu güç kaynaklarıyla iyi uyum sağlayan 600?? 650 V sınıfı için optimize edilir.GaN-on-SiC cihazları yüksek sıcaklıklarda istikrarlı bir performans korurken daha yüksek voltaj aralıklarına rahatça uzanabilir.

Bu farklılıklar mutlaka hemen performans boşluklarına dönüşmez, ancak güvenilirlik bir endişe haline gelmeden önce bir cihazın ne kadar agresif bir şekilde kullanılabileceğini tanımlar.

Uygulama Perspektifi: Her alt katmanın üstün olduğu yerler

Uygulama düzeyinde, sistem kısıtlamaları göz önüne alındığında, substrat seçimi daha net hale gelir.

Tüketici hızlı şarj cihazları, dizüstü bilgisayar adaptörleri ve sunucu güç kaynakları için, maliyet, boyut ve verimlilik tasarım hedeflerine hakimdir.ve termal zorluklar paketleme ve sistem düzeyinde soğutma yoluyla yönetilebilirBu alanda, GaN-on-Si, performans ve maliyet arasındaki en çekici dengeyi sunar.

Buna karşılık, yüksek yoğunluklu 48 V DC-DC dönüştürücüler, otomotiv elektroniği ve endüstriyel güç sistemleri, termal marj ve uzun vadeli istikrar üzerinde çok daha fazla vurgu yapmaktadır.SiC'nin üstün ısı yayma yeteneği, GaN-SiC cihazlarının agresif derecelendirme olmadan sürekli yüksek yük altında performanslarını korumasını sağlar..

Yenilenebilir enerji invertörleri veya katı durumlu devre kesiciler gibi daha yüksek voltaj ve güç seviyelerinde GaN-on-SiC pratik bir seçim haline gelir.Daha yüksek voltajlı baş odasının ve termal dayanıklılığın kombinasyonu, daha yüksek wafer maliyetini ağırlaştırır.

Maliyet bir sistem değişkenidir, bez fiyatı değildir

GaN-on-Si'nin düşük maliyetli ve GaN-on-SiC'nin pahalı bir seçenek olduğu sonucuna varmak caziptir.Silikon için daha düşük cihaz maliyeti daha muhafazakar çalışma koşullarını gerektirebilirSiC tabanlı çözümler genellikle soğutma karmaşıklığını azaltır ve çalışma ömrünü uzatır.

Güç yoğunluğu ve güvenilirlik gereksinimleri arttıkça, GaN-on-SiC için toplam sahiplik maliyeti rekabetçi veya hatta daha düşük olabilir.

Sonuç: Altyapı Seçimi Tasarım Felsefesi

GaN-on-Si ve GaN-on-SiC arasında seçim yapmak, daha iyi bir malzemeyi seçmekle ilgili değil.Bu, fiziksel kısıtlamaların cihaz mühendisliğiyle mi yoksa sistem tasarımıyla mı alınacağına karar vermekle ilgilidir..

GaN-on-Si ölçeklenebilirliği ve ekonomik verimliliği vurgular. GaN-on-SiC termal istikrarı ve performans önünü vurgular.GaN güç elektroniklerinde uygulama odaklı kararlar.