Dispositivi di potenza migliorati aprono la strada ad applicazioni ad alta tensione

I semiconduttori di potenza svolgono un ruolo importante nella conversione della corrente in una vasta gamma di apparecchiature elettroniche che usiamo ogni giorno, dagli smartphone e i computer al fotovoltaico e ai veicoli elettrici. Considerato l’uso ampio e globale dei semiconduttori di potenza, gli scienziati si sono concentrati sul renderli più efficienti in termini di energia e di costi.

Sono stati fatti passi da gigante vero questo obiettivo mediante PowerBase, un progetto in parte finanziato dall’UE con 39 partner provenienti da 9 paesi europei. I fondi di PowerBase hanno contribuito anche allo sviluppo di una nuova tecnologia per il substrato in nitruro di gallio (GaN), basandosi sulla quale i dispositivi di potenza saranno in grado di operare a tensioni superiori a 650 V. Questo sviluppo è stato recentemente annunciato da un polo di R&S e innovazione internazionale con sede in Belgio e da un’azienda tecnologica fabless americana. I loro sforzi congiunti hanno portato a questi passi in avanti verso semiconduttori di potenza più efficienti.

L’efficienza energetica dei nuovi dispositivi di potenza è ottenuta mediante la GaN, una promettente tecnologia per applicazioni di semiconduttori di potenza. Il calore risultante dalle perdite di potenza è un rilevante effetto collaterale nei sistemi elettronici. Mentre funzionano, dispositivi elettronici e circuiti generano calore. Quanto più intensamente e velocemente lavorano, tanto più calore in eccesso viene creato, con un conseguente calo delle prestazioni e guasti anticipati. Con le sue resistenze dielettriche più elevate e le velocità di commutazione più alte, GaN ha il potenziale di ridurre la perdita di energia durante la conversione di potenza.

Fino ad ora, la tecnologia GaN su silicio è stata utilizzata per dispositivi di potenza GaN commerciali che operano fino a 650 V, con strati di separazione da 200-mm tra il dispositivo GaN e il substrato di silicio. Tuttavia, per applicazioni come le energie rinnovabili e i veicoli elettrici, il cui fabbisogno eccede i 650 V, i dispositivi di potenza basati su GaN si sono dimostrati problematici.

La difficoltà è rappresentata dall''ispessimento dello strato di separazione, che è basato su nitruro di gallio alluminio (AlGaN), fino ai livelli necessari per una resistenza dielettrica più elevata e bassi livelli di perdita. Questo avviene poiché c’è una discrepanza nel coefficiente di espansione termica (CTE) tra gli strati epitassiali GaN/AlGaN e il substrato di silicio. Per dirla in modo semplice, i due non si espandono alla stessa velocità quando avviene un cambiamento di temperatura. Anche se sono stati presi in considerazione dei substrati in silicio più spessi come modo per prevenire deformazione e cedimento del wafer a 900 V e oltre, essi danno luogo ad altre preoccupazioni come perdita di resistenza meccanica e problemi di compatibilità in alcuni strumenti di elaborazione.

Il problema è stato risolto con lo sviluppo di dispositivi di potenza ad alte prestazioni p-GaN in modalità avanzata su substrati da 200-mm allineati per quanto riguarda il CTE. L’espansione termica dei substrati corrisponde quasi perfettamente con quella degli strati epitassiali GaN/AlGaN. Questo getta le fondamenta per dispositivi di potenza con strati di separazione da 900 fino a 1 200 V e oltre su substrati con spessore standard da 200-mm, con nuove ed entusiasmanti prospettive per future applicazioni commerciali.

Adesso in fase di conclusione, PowerBase (Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications) ha lavorato per far progredire le attuali tecnologie dei semiconduttori di potenza. Per ottenere questo risultato, il progetto si è concentrato sulla creazione di una linea pilota qualificata per la tecnologia GaN ad ampia banda proibita e sull’ampliamento dei limiti degli attuali materiali del substrato basati su silicio per i semiconduttori di potenza. Altri obiettivi hanno incluso l’introduzione di soluzioni avanzate di imballaggio da una linea pilota dedicata per l’integrazione di chip e la dimostrazione del potenziale di innovazione nei principali settori delle applicazioni di potenza compatte.

Per maggiori informazioni, consultare:
sito web del progetto PowerBase