In den vergangenen Jahren hat sich die Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) rasant entwickelt.Geräte mit hoher Leistungsdichte für Anwendungen wie erneuerbare Energien, 5G-Kommunikation, Elektrofahrzeuge und Datenzentren, traditionelle Silizium-basierte Leistungseinrichtungen erreichen ihre Leistungslimits.GaN-on-Silicon (GaN-on-Si) -Wafer bieten eine vielversprechende Lösung, indem sie Geräte ermöglichen, die bei höheren Frequenzen arbeiten könnenDieser Artikel untersucht die einzigartigen Vorteile vonWafer aus GaN-on-Siund ihre entscheidende Rolle in der modernen Leistungshalbleitertechnologie.

1Struktur und Hauptmerkmale von GaN-on-Si-Wafern

GaN-on-Si-Wafer werden hergestellt, indem eine GaN-Schicht auf einem Siliziumsubstrat epitaxial angebaut wird.

1. Hohe Elektronenmobilität: Die Elektronenbeweglichkeit von GaN ist deutlich höher als die des Siliziums, was in Geräten ähnlicher Größe höhere Stromdichten und schnellere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

2. Hochspannung: Mit einer breiten Bandbreite von etwa 3,4 eV kann GaN viel höhere elektrische Felder als Silizium aufrechterhalten, wodurch Stromgeräte ohne Ausfall höhere Spannungen bewältigen können.

3. Wärmeeffizienz: GaN-on-Si-Geräte können höhere Betriebstemperaturen aushalten, wodurch die Notwendigkeit komplexer Kühlsysteme verringert wird.

4. Kostenwirksames Substrat: Siliziumwafer sind weit verbreitet und kostengünstiger als SiC oder Saphir, so dass GaN-on-Si die bestehende Infrastruktur für die Produktion von Siliziumwafer nutzen kann,Senkung der Herstellungskosten und Erleichterung des groß angelegten Einsatzes.

2Vorteile bei Anwendungen von Leistungshalbleitern

GaN-on-Si-Wafer haben die Landschaft der Leistungselektronik verändert, indem sie im Vergleich zu siliziumbasierten Geräten überlegene Leistungsmetriken liefern:

• Hohe Schaltfrequenz: Die hohe Elektronenmobilität und die geringe parasitäre Kapazität von GaN ermöglichen den Betrieb von Geräten bei Schaltfrequenzen im MHz-Bereich,Verbesserung der Effizienz und Verringerung der Größe passiver Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren.

• Verringerte Leitungsabfälle: Niedrigere Einsatzwiderstände und höhere Stromdichte ermöglichen es GaN-Geräten, mit minimalem Energieverlust mehr Leistung zu verarbeiten.

• Kompaktes und leichtes Design: Hohe Effizienz und hohe Frequenz ermöglichen kleinere Leistungsumwandler, was für Elektrofahrzeuge, Luftfahrt und tragbare Elektronik von entscheidender Bedeutung ist.

• Verbessertes Wärmemanagement: GaN-on-Si-Geräte erzeugen für die gleiche Leistung weniger Wärme, wodurch das thermische Management einfacher und zuverlässiger wird.

3. Anwendungen von GaN-on-Si-Leistungsgeräten

GaN-on-Si-Wafer wurden in einer breiten Palette von Hochleistungs-Leistungselektronik verwendet:

1. Elektrofahrzeuge: Inverter und Bordladegeräte profitieren von höherer Effizienz und kleinerer Größe, erhöhen die Reichweite und reduzieren das Fahrzeuggewicht.

2. Datenzentren und Server-Stromversorgungen: Hocheffiziente GaN-basierte Leistungsmodule reduzieren den Energieverbrauch und die Wärmeerzeugung in Hochdichte-Rechenumgebungen.

3. 5G-Telekommunikation: GaN ermöglicht HF-Leistungsverstärker und DC-DC-Wandler mit schnellerem Schalten und unterstützt höhere Datenraten und niedrigere Latenz.

4. Erneuerbare Energiesysteme: Solarumrichter und Energiespeichersysteme nutzen die hohe Effizienz und thermische Robustheit von GaN für eine bessere Energieumwandlung und Zuverlässigkeit.

4Herausforderungen und Aussichten für die Zukunft

Trotz ihrer Vorteile steht die GaN-on-Si-Technologie vor Herausforderungen:

• Gitter und thermische Mismatch: Der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen GaN und Si kann Stress hervorrufen und möglicherweise Waferbogen oder Defekte verursachen.Um diese Probleme zu lindern, werden fortschrittliche Epitaxientechniken und Pufferlagen eingesetzt..

• Kosten-Leistungs-Bilanz: Während GaN-on-Si zwar billiger ist als SiC, erfordert es immer noch eine spezielle Verarbeitung und Verpackung, um zuverlässig mit Hochleistungsanwendungen umzugehen.

• Normung der Industrie: Da die Einführung von GaN-on-Si zunimmt, ist eine Standardisierung der Gerätecharakteristiken und die Prüfung der Zuverlässigkeit erforderlich, um eine breite Integration zu erleichtern.

Im Hinblick auf die Zukunft werden die kontinuierlichen Verbesserungen der Waferqualität, des epitaxialen Wachstums und der Verpackung von Geräten die Rolle von GaN-on-Si ̊ in der Leistungselektronik weiter ausbauen.Hochspannungshandhabung, und die Kosteneffizienz positioniert sie als Eckpfeilertechnologie für Leistungshalbleiterlösungen der nächsten Generation.

Schlussfolgerung

GaN-on-Si-Wafer definieren die Fähigkeiten von Leistungshalbleitern neu.GaN-on-Si ermöglicht schnellere GeräteDa die Nachfrage nach Hochleistungs-Leistungselektronik weiter steigt, ist es wichtig, dass die Produkte in der EU immer effizienter und kompakter sind als herkömmliche Silizium-basierte Lösungen.GaN-on-Si-Wafer werden eine immer wichtigere Rolle bei der Gestaltung der Zukunft energieeffizienter und dichter elektronischer Systeme spielen.