Krafthalvledare spelar en viktig roll vid effektomvandling i ett brett utbud av elektronisk utrustning som vi använder i vårt dagliga liv, från smartphones och datorer till solceller och elfordon. Med tanke på den omfattande och globala användningen av krafthalvledare, forskare har fokuserat på att göra dem mer energieffektiva och kostnadseffektiva.

Stora framsteg har gjorts mot detta mål genom PowerBase, ett delvis EU-finansierat projekt med 39 partners från 9 europeiska länder. PowerBase-medel bidrog också till utvecklingen av ny galliumnitrid (GaN) substratteknologi baserad på vilken kraftenheter kommer att kunna arbeta vid spänningar över 650 V. Denna utveckling tillkännagavs nyligen av ett internationellt FoU- och innovationsnav med huvudkontor i Belgien och en amerikansk fabellös teknikföretag. Deras gemensamma ansträngningar resulterade i detta framsteg mot effektivare krafthalvledare.

De nya kraftenheternas energieffektivitet uppnås genom GaN, en lovande teknologi för krafthalvledartillämpningar. Värme till följd av effektförluster är en stor bieffekt inom elektronik. När de fungerar, elektroniska enheter och kretsar genererar värme. Ju mer och snabbare de arbetar, ju mer överskottsvärme skapas, vilket så småningom äventyrar prestandan och leder till att de misslyckas i förtid. Med sina högre nedbrytningsstyrkor och snabbare växlingshastigheter, GaN har potential att minska energiförlusten under kraftomvandling.

Tills nu, GaN-på-kisel-teknologi har använts för kommersiella GaN-kraftenheter som arbetar på upp till 650 V, med 200 mm buffertlager mellan GaN-enheten och kiselsubstratet. Dock, för applikationer som förnybar energi och elfordon, vars behov överstiger 650 V, GaN-baserade kraftenheter har visat sig vara problematiska.

Svårigheten ligger i att öka buffertens tjocklek, som är baserad på aluminium galliumnitrid (AlGaN), till de nivåer som krävs för högre haveri och låga läckagenivåer. Detta beror på att det finns en oöverensstämmelse i termisk expansionskoefficient (CTE) mellan GaN/AlGaN-epitaxialskikten och kiselsubstratet. Helt enkelt talat, de två expanderar inte i samma takt med en temperaturförändring. Även om tjockare kiselsubstrat har ansetts vara ett sätt att förhindra wafer-varp och båge för 900 V och högre, de ger upphov till andra problem såsom förlust av mekanisk styrka och kompatibilitetsproblem i vissa bearbetningsverktyg.

Problemet har lösts med utvecklingen av p-GaN-strömenheter med högpresterande förbättringsläge på 200 mm CTE-matchade substrat. Den termiska expansionen av substraten matchar mycket nära den för GaN/AlGaN-epitaxialskikten. Detta lägger grunden för kraftenheter med 900 till 1 200 V buffertar och mer på standardtjocklek 200 mm substrat, med spännande nya möjligheter för framtida kommersiella tillämpningar.

Har nu kommit fram till sin slutsats, PowerBase (förbättrade substrat och GaN-pilotlinjer som möjliggör kompakta krafttillämpningar) har arbetat för att utveckla nuvarande krafthalvledarteknologier. För att uppnå detta, det har fokuserat på att skapa en kvalificerad GaN-teknikpilotlinje för bredbandsgap och utvidga gränserna för dagens kiselbaserade substratmaterial för krafthalvledare. Andra mål var att introducera avancerade förpackningslösningar ur en dedikerad pilotlinje för inbäddning av chip och demonstrera innovationspotential inom ledande kompakta kraftapplikationsdomäner.