Onsemi представляет вертикальные IC на основе GaN для ИИ и электрификации

Компания Onsemi представила свою новую семью силовых полупроводников на основе вертикального нитрида галлия (vGaN), которая отвечает требованиям по энергии и производительности для искусственного интеллекта, электрических транспортных средств и возобновляемых источников энергии.

Эти устройства разработаны на заводе компании площадью 6,000 квадратных метров в Сиракьюсе, штат Нью-Йорк, и являются первой коммерчески масштабируемой реализацией истинной архитектуры GaN-on-GaN, согласно информации от Onsemi.

Транзисторы вертикального GaN производятся на основе буковых подложек GaN, что позволяет электрическому току течь вертикально через кристаллическую решетку, а не по её поверхности. Такой подход является ключевым для повышения производительности устройств.

Поскольку вертикальный GaN устраняет соответствие подложки, свойственное процессам GaN на кремнии или сапфире, он достигает плотностей дефектов от 10³ до 10⁵ см^-2 по сравнению с ~10⁹ см^-2 для GaN на кремнии. Это приводит к улучшенным показателям выхода, уровню дислокаций и прочности.

Для производства вертикального GaN компании Onsemi пришлось эпитаксиально вырастить толстые, свободные от дефектов слои GaN при температурах выше 1,000°C. В процессе формирования образовались p- и n- типы областей. Компания владеет более чем 130 патентами, охватывающими технологии роста, регенерации и изготовления устройств, включая уникальные процессы регенерации p-GaN на структурированных подложках.

Свойства и преимущества

Устройства используют кристаллическую структуру гексагонального вурцита, обладающую широкой запрещенной зоной в 3.4 эВ и критическим напряжением электрического поля 3.3 МВ/см. Эта структура также обеспечивает высокую подвижность электронов (~ 2,000 см²/В·с) и пик скорости электронов около 2.5×10⁷ см/с, что дает возможность переключать частоты значительно выше, чем те, которые можно достичь с помощью MOSFET на кремнии или SiC.

Согласно отчетным показателям производительности, вертикальные устройства GaN могут выдерживать напряжения 1,200 В и выше, при этом прототипы демонстрируют до 3,300 В. Системы на основе vGaN также снижают потери при преобразовании энергии до 50%. Более высокие частоты переключения устройства позволяют существенно уменьшить размеры индуктивностей, конденсаторов и магнитных компонентов. По сравнению с боковыми устройствами GaN, vGaN занимает примерно треть занимаемой площади.

GaN на GaN как технологическое решение

В традиционных боковых устройствах GaN слой GaN располагается на внешней подложке, такой как кремний. Это приводит к возникновению решеточных и тепловых несовпадений, которые ограничивают толщину и напряжен capability. В отличие от этого, GaN-on-GaN, или гомоэпитаксиальный GaN, вырастает непосредственно на собственной подложке GaN.

Отсутствие решеточной нагрузки позволяет инженерам создавать значительно более толстые области дрейфа, что увеличивает напряжения пробоя намного выше 1 кВ при низком сопротивлении на включение. Тем временем вертикальный ток уменьшает электрическое поле на поверхности и повышает устойчивость к лавинным процессам.

Преимущества и вызовы

Широкая запрещенная зона GaN (3.4 эВ) и высокая подвижность электронов обеспечивают показатель эффективности Балиги почти в 10,000 раз выше, чем у кремния, что приводит к снижению потерь на проводимость и повышению эффективности переключения. При работе на высоких частотах, преобразователи могут использовать меньшие пассивные элементы, что прямо уменьшает общий размер и стоимость системы.

Тем не менее, остаются вызовы в области стоимости и доступности подложек. Производство буковых подложек GaN является более сложным и дорогим, чем кремниевые, так как требует роста кристаллов при высоких температурах и давлениях. Однако, по мере масштабирования и улучшения производств, вертикальный GaN в будущем может заменить боковой GaN и даже SiC в приложениях, где требуются как высокое напряжение, так и компактные размеры.

Будущее высокоплотной энергетики

Компания Onsemi сообщает, что начинается выборка устройств vGaN на 700 В и 1,200 В, с полной продукцией, ожидаемой после завершения квалификации.

Прокомментировать в Телеграм: https://t.me/n8nhow

Подписаться на канал обучения n8n: https://t.me/n8ncoaching