Vermogenshalfgeleiders spelen een belangrijke rol bij de stroomconversie in een breed scala aan elektronische apparatuur die we in ons dagelijks leven gebruiken, van smartphones en computers tot fotovoltaïsche en elektrische voertuigen. Gezien het uitgebreide en wereldwijde gebruik van vermogenshalfgeleiders, wetenschappers hebben zich gericht op het energiezuiniger en kosteneffectiever maken ervan.

Er zijn grote stappen gezet in de richting van dit doel via PowerBase, een deels door de EU gefinancierd project met 39 partners uit 9 Europese landen. PowerBase-fondsen hebben ook bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe galliumnitride (GaN)-substraattechnologie op basis waarvan stroomapparaten kunnen werken bij spanningen van meer dan 650 V. Deze ontwikkeling werd onlangs aangekondigd door een internationale R&D- en innovatiehub met hoofdkantoor in België en een Amerikaanse fabels technologie bedrijf. Hun gezamenlijke inspanningen resulteerden in deze opmars naar efficiëntere vermogenshalfgeleiders.

De energie-efficiëntie van de nieuwe stroomapparaten wordt bereikt door GaN, een veelbelovende technologie voor toepassingen in vermogenshalfgeleiders. Warmte als gevolg van vermogensverliezen is een belangrijke bijwerking in de elektronica. Terwijl ze opereren, elektronische apparaten en circuits genereren warmte. Hoe meer en sneller ze werken, hoe meer overtollige warmte ontstaat, wat uiteindelijk de prestaties in gevaar brengt en leidt tot voortijdig falen. Met zijn hogere doorslagsterkten en snellere schakelsnelheden, GaN heeft het potentieel om energieverlies tijdens stroomconversie te verminderen.

Tot nu toe, GaN-op-siliciumtechnologie is gebruikt voor commerciële GaN-stroomapparaten die werken tot 650 V, met bufferlagen van 200 mm tussen het GaN-apparaat en het siliciumsubstraat. Echter, voor toepassingen zoals hernieuwbare energie en elektrische voertuigen, waarvan de behoeften verder gaan dan 650 V, Op GaN gebaseerde stroomapparaten zijn problematisch gebleken.

De moeilijkheid ligt in het vergroten van de dikte van de buffer, op basis van aluminium galliumnitride (AlGaN), tot de niveaus die nodig zijn voor hogere uitval en lage lekkageniveaus. Dit komt omdat er een mismatch is in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen de GaN/AlGaN epitaxiale lagen en het siliciumsubstraat. Simpel gezegd, de twee zetten niet met dezelfde snelheid uit als de temperatuur verandert. Hoewel dikkere siliciumsubstraten zijn beschouwd als een manier om kromtrekken en buigen van wafels voor 900 V en hoger te voorkomen, ze geven aanleiding tot andere zorgen, zoals verlies van mechanische sterkte en compatibiliteitsproblemen bij sommige verwerkingstools.

Het probleem is opgelost met de ontwikkeling van high-performance enhancement-mode p-GaN power devices op 200 mm CTE-gematchte substraten. De thermische uitzetting van de substraten komt zeer nauw overeen met die van de GaN/AlGaN epitaxiale lagen. Dit legt de basis voor stroomapparaten met buffers van 900 tot 1 200 V en meer op substraten van standaarddikte van 200 mm, met spannende nieuwe perspectieven voor toekomstige commerciële toepassingen.

Nu tot zijn conclusie komen, PowerBase (verbeterde substraten en GaN-pilootlijnen die compacte stroomtoepassingen mogelijk maken) heeft gewerkt aan het bevorderen van de huidige technologieën voor vermogenshalfgeleiders. Om dit te behalen, het heeft zich gericht op het opzetten van een gekwalificeerde pilotlijn voor GaN-technologie met brede bandafstand en het verleggen van de grenzen van de huidige op silicium gebaseerde substraatmaterialen voor vermogenshalfgeleiders. Andere doelen waren onder meer de introductie van geavanceerde verpakkingsoplossingen uit een speciale pilootlijn voor het inbedden van chips en het demonstreren van innovatiepotentieel in toonaangevende domeinen van compacte stroomtoepassingen.