Галлиевый нитрид (GaN) стал одним из важнейших полупроводниковых материалов для мощной электроники следующего поколения.и сильная толерантность электрического поля позволяют более высокую частоту переключения и плотность мощности, чем обычные кремниевые устройстваТем не менее, устройства питания GaN почти всегда реализуются с помощью гетероэпитаксии, что означает, что GaN выращивается на чужом субстрате, а не используется в сыпучей форме.

Это делает выбор подложки основополагающим решением по проектированию, а не вторичным выбором процесса.Кремний (Si) и карбид кремния (SiC) сегодня доминируют в промышленных устройствах для питания GaNХотя оба поддерживают высокопроизводительные транзисторы GaN, они приводят к принципиально разным поведению устройств, ограничениям системы и границам применения.

Почему субстрат важнее, чем он кажется

В мощном транзисторе GaN субстрат делает гораздо больше, чем обеспечивает механическую поддержку. Он влияет на качество кристалла, тепловое рассеивание, эволюцию напряжения и долгосрочную надежность.Поскольку GaN и субстрат расширяются, проводить тепло и связываться по-разному, субстрат эффективно устанавливает физические пределы, в которых должно работать устройство GaN.

Три несоответствия материала определяют эту связь: несоответствие решетки, несоответствие теплового расширения и несоответствие теплопроводности.в то время как SiC гораздо ближе к GaN по внутренним свойствамЭто различие объясняет, почему GaN на Si требует обширной буферной инженерии, тогда какGaN-on-SiCможет больше полагаться на материальную совместимость.

Сравнение на уровне материалов субстратов Si и SiC

Внутренние свойства двух субстратов уже предполагают их разные роли в устройствах питания GaN.

Более крупные кремниевые пластины позволяют снизить стоимость и увеличить производительность,в то время как превосходная тепловая и механическая совместимость SiC уменьшает напряжение и улучшает удаление тепла на уровне устройства.

Электрические и тепловые последствия на уровне устройства

С электрической точки зрения, как GaN-on-Si, так и GaN-on-SiC могут достигать высоких скоростей переключения и низкого сопротивления.

Устройства GaN-on-Si, как правило, оптимизированы для класса 600-650 В, который хорошо подходит для потребительской электроники и серверных источников питания.Устройства GaN-on-SiC могут удобно расширяться в более высокие диапазоны напряжения при сохранении стабильной производительности при повышенной температуре.

Эти различия не обязательно приводят к непосредственным пробелам в производительности, но они определяют, насколько агрессивно устройство может управляться, прежде чем надежность станет проблемой.

Перспективы применения: где каждый субстрат превосходит

На уровне применения выбор подложки становится более ясным, когда рассматриваются ограничения системы.

Для потребительских быстрых зарядных устройств, адаптеров для ноутбуков и источников питания серверов стоимость, размер и эффективность доминируют над целями проектирования.и тепловые проблемы могут быть решены посредством упаковки и охлаждения на уровне системыВ этой области GaN-on-Si предлагает наиболее привлекательный баланс между производительностью и стоимостью.

Напротив, высокоплотные 48-вольтные преобразователи постоянного тока, автомобильная электроника и промышленные энергетические системы делают гораздо больший акцент на тепловой марже и долгосрочной стабильности.превосходящая способность SiC распространять тепло позволяет GaN-на-SiC устройствам поддерживать производительность при непрерывной высокой нагрузке без агрессивного снижения.

При еще более высоких уровнях напряжения и мощности, таких как инверторы возобновляемой энергии или твердотельные выключатели, GaN-on-SiC становится практичным выбором.Сочетание более высокого напряжения и тепловой устойчивости перевешивает более высокую стоимость пластины.

Стоимость - это системная переменная, а не цена пластинки

Можно сделать вывод, что GaN-on-Si является недорогим вариантом, а GaN-on-SiC - дорогим.Более низкая стоимость устройства на кремний может потребовать более консервативных условий эксплуатации, большие теплоотводы, или более жесткие маржи понижения.

По мере увеличения плотности мощности и требований к надежности общая стоимость владения GaN-on-SiC может стать конкурентоспособной или даже ниже.

Заключение: Выбор субстрата - это философия дизайна

Выбор между GaN-on-Si и GaN-on-SiC - это не выбор лучшего материала в изоляции.Речь идет о решении, где физические ограничения должны быть поглощены инженерией устройств или проектированием системы..

GaN-on-Si подчеркивает масштабируемость и экономическую эффективность. GaN-on-SiC подчеркивает тепловую стабильность и преимущества производительности.решения, основанные на применении в электротехнике GaN.