I semiconduttori di potenza svolgono un ruolo importante nella conversione di potenza in un'ampia gamma di apparecchiature elettroniche che utilizziamo nella nostra vita quotidiana, da smartphone e computer a fotovoltaico e veicoli elettrici. Dato l'uso esteso e globale di semiconduttori di potenza, gli scienziati si sono concentrati sul renderli più efficienti dal punto di vista energetico e convenienti.

Grandi passi avanti sono stati fatti verso questo obiettivo attraverso PowerBase, un progetto parzialmente finanziato dall'UE con 39 partner provenienti da 9 paesi europei. I fondi PowerBase hanno anche contribuito allo sviluppo di una nuova tecnologia di substrato al nitruro di gallio (GaN) basata sulla quale i dispositivi di alimentazione saranno in grado di funzionare a tensioni superiori a 650 V. Questo sviluppo è stato recentemente annunciato da un centro internazionale di ricerca e sviluppo e innovazione con sede in Belgio e da un centro americano azienda tecnologica favolosa. I loro sforzi congiunti hanno portato a questo progresso verso semiconduttori di potenza più efficienti.

L'efficienza energetica dei nuovi dispositivi di potenza è ottenuta tramite GaN, una tecnologia promettente per le applicazioni dei semiconduttori di potenza. Il calore derivante dalle perdite di potenza è un importante effetto collaterale nell'elettronica. Mentre operano, dispositivi e circuiti elettronici generano calore. Più e più velocemente funzionano, più si crea calore in eccesso, che alla fine compromette le prestazioni e porta al loro guasto prematuro. Con le sue maggiori forze di rottura e velocità di commutazione più elevate, GaN ha il potenziale per ridurre la perdita di energia durante la conversione di potenza.

Fino ad ora, La tecnologia GaN su silicio è stata utilizzata per dispositivi di alimentazione GaN commerciali funzionanti fino a 650 V, con strati buffer di 200 mm tra il dispositivo GaN e il substrato di silicio. Però, per applicazioni quali energie rinnovabili e veicoli elettrici, le cui esigenze superano i 650 V, I dispositivi di alimentazione basati su GaN si sono rivelati problematici.

La difficoltà sta nell'aumentare lo spessore del tampone, a base di nitruro di alluminio e gallio (AlGaN), ai livelli richiesti per guasti più elevati e bassi livelli di perdita. Questo perché c'è una discrepanza nel coefficiente di espansione termica (CTE) tra gli strati epitassiali di GaN/AlGaN e il substrato di silicio. Semplicemente parlando, i due non si espandono alla stessa velocità con un cambiamento di temperatura. Sebbene i substrati di silicio più spessi siano stati considerati come un modo per prevenire la deformazione e l'incurvamento del wafer per 900 V e oltre, danno luogo ad altre preoccupazioni come la perdita di resistenza meccanica e problemi di compatibilità in alcuni strumenti di lavorazione.

Il problema è stato risolto con lo sviluppo di dispositivi di potenza p-GaN in modalità di miglioramento ad alte prestazioni su substrati CTE da 200 mm. L'espansione termica dei substrati è molto simile a quella degli strati epitassiali di GaN/AlGaN. Questo pone le basi per dispositivi di potenza con buffer da 900 a 1 200 V e oltre su substrati di spessore standard da 200 mm, con nuove entusiasmanti prospettive per future applicazioni commerciali.

Giunto ora alla sua conclusione, PowerBase (substrati avanzati e linee pilota GaN che consentono applicazioni di potenza compatte) ha lavorato per far progredire le attuali tecnologie dei semiconduttori di potenza. Per realizzare questo, si è concentrata sulla creazione di una linea pilota qualificata per la tecnologia GaN a banda larga larga e sull'espansione dei limiti degli attuali materiali di substrato a base di silicio per i semiconduttori di potenza. Altri obiettivi includevano l'introduzione di soluzioni di packaging avanzate da una linea pilota dedicata all'inclusione di chip e la dimostrazione del potenziale di innovazione nei principali domini di applicazioni di alimentazione compatte.