Il nitruro di gallio (GaN) è diventato uno dei materiali semiconduttori più importanti per l'elettronica di potenza di nuova generazione. Il suo ampio bandgap, l'elevata mobilità degli elettroni e la forte tolleranza al campo elettrico consentono una maggiore frequenza di commutazione e densità di potenza rispetto ai dispositivi in silicio convenzionali. Tuttavia, i dispositivi di potenza in GaN sono quasi sempre realizzati tramite eterotassia, il che significa che il GaN viene coltivato su un substrato estraneo piuttosto che utilizzato in forma sfusa.

Questo rende la selezione del substrato una decisione progettuale fondamentale piuttosto che una scelta di processo secondaria. Tra tutte le opzioni disponibili, il silicio (Si) e il carburo di silicio (SiC) dominano oggi i dispositivi di potenza in GaN industriali. Sebbene entrambi supportino transistor GaN ad alte prestazioni, portano a comportamenti dei dispositivi, vincoli di sistema e limiti applicativi fondamentalmente diversi.

Perché il substrato è più importante di quanto sembri

In un transistor di potenza GaN, il substrato fa molto di più che fornire supporto meccanico. Influenza la qualità dei cristalli, la dissipazione termica, l'evoluzione delle sollecitazioni e l'affidabilità a lungo termine. Poiché il GaN e il substrato si espandono, conducono calore e si legano in modo diverso, il substrato definisce effettivamente i limiti fisici entro i quali il dispositivo GaN deve operare.

Tre disadattamenti dei materiali definiscono questa relazione: disadattamento del reticolo, disadattamento dell'espansione termica e disadattamento della conducibilità termica. Il silicio presenta un grande disadattamento in tutte e tre le categorie, mentre il SiC è molto più vicino al GaN nelle proprietà intrinseche. Questa differenza spiega perché il GaN-on-Si richiede un'ampia ingegneria dello strato tampone, mentre GaN-on-SiC può fare più affidamento sulla compatibilità dei materiali.

Confronto a livello di materiale dei substrati Si e SiC

Le proprietà intrinseche dei due substrati suggeriscono già i loro diversi ruoli nei dispositivi di potenza GaN.

Wafer di silicio più grandi consentono costi inferiori e una maggiore produttività di produzione, mentre la compatibilità termica e meccanica superiore del SiC riduce le sollecitazioni e migliora la rimozione del calore a livello del dispositivo.

Implicazioni elettriche e termiche a livello di dispositivo

Da un punto di vista elettrico, sia il GaN-on-Si che il GaN-on-SiC possono raggiungere elevate velocità di commutazione e bassa resistenza in conduzione. Le principali differenze emergono quando la tensione nominale e lo stress termico aumentano.

I dispositivi GaN-on-Si sono tipicamente ottimizzati per la classe 600–650 V, che si allinea bene con l'elettronica di consumo e gli alimentatori dei server. I dispositivi GaN-on-SiC possono estendersi comodamente a intervalli di tensione più elevati mantenendo prestazioni stabili a temperature elevate.

Queste differenze non si traducono necessariamente in lacune di prestazioni immediate, ma definiscono quanto aggressivamente un dispositivo può essere pilotato prima che l'affidabilità diventi un problema.

Prospettiva applicativa: dove ogni substrato eccelle

A livello applicativo, la scelta del substrato diventa più chiara quando si considerano i vincoli di sistema.

Per i caricabatterie rapidi per consumatori, gli adattatori per laptop e gli alimentatori per server, i costi, le dimensioni e l'efficienza dominano gli obiettivi di progettazione. Le tensioni operative rientrano nell'area di comfort del GaN-on-Si e le sfide termiche possono essere gestite tramite l'imballaggio e il raffreddamento a livello di sistema. In questo ambito, il GaN-on-Si offre il bilanciamento più interessante tra prestazioni e costi.

Al contrario, i convertitori DC-DC a 48 V ad alta densità, l'elettronica automobilistica e i sistemi di alimentazione industriali pongono molta più enfasi sul margine termico e sulla stabilità a lungo termine. Qui, la capacità superiore di diffusione del calore del SiC consente ai dispositivi GaN-on-SiC di mantenere le prestazioni sotto carico continuo elevato senza un declassamento aggressivo.

A livelli di tensione e potenza ancora più elevati, come gli inverter per energia rinnovabile o gli interruttori automatici a stato solido, il GaN-on-SiC diventa la scelta pratica. La combinazione di maggiore spazio di manovra in tensione e robustezza termica supera il costo più elevato del wafer.

Il costo è una variabile di sistema, non un prezzo del wafer

È allettante concludere che il GaN-on-Si è l'opzione a basso costo e il GaN-on-SiC è quella costosa. In realtà, il costo deve essere valutato a livello di sistema. Un costo del dispositivo inferiore sul silicio può richiedere condizioni operative più conservative, dissipatori di calore più grandi o margini di declassamento più ristretti. Le soluzioni basate su SiC spesso riducono la complessità del raffreddamento ed estendono la durata operativa.

Man mano che la densità di potenza e i requisiti di affidabilità aumentano, il costo totale di proprietà per il GaN-on-SiC può diventare competitivo o addirittura inferiore.

Conclusione: la scelta del substrato è una filosofia di progettazione

Scegliere tra GaN-on-Si e GaN-on-SiC non significa selezionare un materiale migliore in isolamento. Si tratta di decidere dove dovrebbero essere assorbite le limitazioni fisiche: dall'ingegneria dei dispositivi o dalla progettazione del sistema.

GaN-on-Si enfatizza la scalabilità e l'efficienza economica. GaN-on-SiC enfatizza la stabilità termica e lo spazio di manovra delle prestazioni. Comprendere questa distinzione è essenziale per prendere decisioni razionali, basate sull'applicazione, nell'elettronica di potenza GaN.