Os semicondutores de potência desempenham um papel importante na conversão de potência em uma ampla gama de equipamentos eletrônicos que usamos em nossas vidas diárias, de smartphones e computadores a veículos fotovoltaicos e elétricos. Dado o uso extensivo e global de semicondutores de potência, os cientistas têm se concentrado em torná-los mais eficientes em termos de energia e econômicos.

Grandes avanços foram feitos em direção a esse objetivo por meio do PowerBase, um projeto parcialmente financiado pela UE com 39 parceiros de 9 países europeus. Os fundos da PowerBase também contribuíram para o desenvolvimento de uma nova tecnologia de substrato de nitreto de gálio (GaN) com base na qual os dispositivos de energia serão capazes de operar em tensões acima de 650 V. Este desenvolvimento foi recentemente anunciado por um centro internacional de P&D e inovação com sede na Bélgica e um americano empresa de tecnologia sem fábrica. Seus esforços conjuntos resultaram neste avanço em direção a semicondutores de energia mais eficientes.

A eficiência energética dos novos dispositivos de energia é alcançada por meio de GaN, uma tecnologia promissora para aplicações de semicondutores de potência. O calor resultante de perdas de energia é um efeito colateral importante na eletrônica. Como eles operam, dispositivos e circuitos eletrônicos geram calor. Quanto mais e mais rápido eles trabalham, quanto mais excesso de calor é criado, que eventualmente compromete o desempenho e leva ao seu fracasso prematuro. Com suas maiores forças de decomposição e velocidades de comutação mais rápidas, GaN tem o potencial de reduzir a perda de energia durante a conversão de energia.

Até agora, A tecnologia GaN sobre silício tem sido usada para dispositivos de energia GaN comerciais operando em até 650 V, com camadas de buffer de 200 mm entre o dispositivo GaN e o substrato de silício. Contudo, para aplicações como energia renovável e veículos elétricos, cujas necessidades vão além de 650 V, Dispositivos de energia baseados em GaN provaram ser problemáticos.

A dificuldade está em aumentar a espessura do buffer, que é baseado em nitreto de alumínio e gálio (AlGaN), aos níveis exigidos para maiores níveis de degradação e baixos níveis de vazamento. Isso ocorre porque há uma incompatibilidade no coeficiente de expansão térmica (CTE) entre as camadas epitaxiais GaN / AlGaN e o substrato de silício. Simplesmente falando, os dois não se expandem na mesma taxa com a mudança de temperatura. Embora substratos de silício mais espessos tenham sido considerados como uma forma de evitar empenamento e curvatura do wafer para 900 V e acima, eles dão origem a outras preocupações, como perda de resistência mecânica e problemas de compatibilidade em algumas ferramentas de processamento.

O problema foi resolvido com o desenvolvimento de dispositivos de potência p-GaN de modo de aprimoramento de alto desempenho em substratos compatíveis com CTE de 200 mm. A expansão térmica dos substratos é muito parecida com a das camadas epitaxiais GaN / AlGaN. Isso estabelece as bases para dispositivos de energia com buffers de 900 a 1 200 V e além em substratos de 200 mm de espessura padrão, com novas perspectivas interessantes para futuras aplicações comerciais.

Agora chegando a sua conclusão, PowerBase (substratos aprimorados e linhas piloto GaN que permitem aplicações de energia compacta) trabalhou para o avanço das tecnologias de semicondutores de energia atuais. Para alcançar isto, ela se concentrou na criação de uma linha piloto de tecnologia GaN de gap amplo e na expansão dos limites dos materiais de substrato à base de silício de hoje para semicondutores de potência. Outros objetivos incluíam a introdução de soluções de empacotamento avançadas a partir de uma linha piloto dedicada de incorporação de chips e a demonstração do potencial de inovação nos principais domínios de aplicação de energia compacta.