ガリウムナイトリド (GaN) は 次世代のパワー電子機器にとって 最も重要な半導体材料の1つになりました強い電磁場容量により,従来のシリコン装置よりも高いスイッチ周波数と電源密度が可能です.しかし,GaN電源装置はほぼ常にヘテロエピタキシーによって実現される.つまり,GaNは大量に使用されるのではなく,外質基板で栽培される.

材料の選択は,二次的なプロセス選択ではなく,基本的な設計決定になります.シリコン (Si) とシリコンカービッド (SiC) は,今日,工業用GaN電源装置を支配しています.両方とも高性能GaNトランジスタをサポートしているが,デバイスの動作,システム制約,およびアプリケーションの境界は根本的に異なる.

表面 の 表面 に より 重要 な 材料

GaN電源トランジスタでは,基質は機械的なサポートを提供する以上のことを行う.それは結晶質,熱散,ストレスの進化,長期的信頼性に影響を与える.基質が膨張するので,熱を伝導し,結合が異なる場合,基質はGaN装置が動作しなければならない物理的限界を効果的に設定します.

この関係を定義する材料の不一致は 3つあります 格子不一致,熱膨張不一致,熱伝導不一致ですSiCは固有の性質でGaNに近い.この違いにより,GaN-on-Siは大規模なバッファ層工学を必要とするが,ガン・オン・シ・C材料の互換性により信頼できます

Si と SiC 基板の材料レベル比較

この2つの基板の固有の性質は,すでにGaN電源装置における異なる役割を示唆している.

より大きなシリコン・ウェーバーは 低コストで 生産能力が高くなりますSiCの優れた熱と機械的互換性により,ストレスを軽減し,デバイスレベルでの熱除去を改善します..

装置レベルでの電気的および熱的影響

電気的観点から,GaN-on-SiとGaN-on-SiCの両方が高いスイッチ速度と低電電阻を達成することができる.電圧値と熱圧が増加すると主要な違いが浮上する.

GaN-on-Siデバイスは,通常,消費者電子機器とサーバー電源にうまく適合する600~650Vクラスに最適化されています.GaN-on-SiC装置は,高温下で安定した性能を維持しながら,より高い電圧範囲に快適に拡張することができます..

これらの違いは必ずしも即座に性能のギャップを意味するものではありませんが 信頼性が懸念される前に デバイスがどれだけ攻撃的に運転できるかを定義します

応用展望:各基板が優れているところ

応用レベルでは,システムの制約を考慮すると基板の選択がより明確になります.

消費者の高速充電器,ノートPCアダプター,サーバーの電源では,コスト,サイズ,効率が設計目標を支配する.包装やシステムレベルの冷却によって管理できますこの分野では,GaN-on-Siは性能とコストの間で最も魅力的なバランスを提供します.

高密度の48V直流電源変換機,自動車電子機器,工業用電源システムでは,高密度48V直流電源変換機は,熱限界と長期安定性により大きな重点を置いています.SiCの優れた熱伝播能力により,GaNとSiCの装置は,攻撃的な降低なしに継続的な高負荷下で性能を維持できます..

再生可能エネルギーインバーターや固体断路機など さらに高電圧と電源レベルでは GaN-on-SiC が実用的な選択になります高電圧ヘッドルームと熱強さの組み合わせは,より高いウェーファーコストを上回ります.

コスト は システム 変数 で ある の で,ワッフル の 価格 で は ない

低コストの選択肢はGaN-on-Siで 高価な選択肢はGaN-on-SiCだと結論付けるのは誘惑的です 実際にはコストはシステムレベルで評価されなければならないのですシリコンの装置コストが低い場合,より保守的な運用条件が必要かもしれません.SiCベースのソリューションはしばしば冷却の複雑性を軽減し,運用寿命を延長します.

電力密度と信頼性の要求が増加するにつれて,GaNとSiCの総所有コストは競争力になり,さらに低下する可能性があります.

結論: 基板 の 選択 は デザイン の 哲学 です

GaN-on-Siと GaN-on-SiCの選択は 単体でより良い材料を選ぶことではありません物理的限界をデバイスエンジニアリングかシステム設計で取り入れるべきか.

GaN-on-Siはスケーラビリティと経済的効率を強調する. GaN-on-SiCは熱安定性と性能を強調する. この区別を理解することは合理的な,GaN パワーエレクトロニクスにおけるアプリケーション主導の決定.