מכון Fraunhofer מפתח רכיבי מוליכים למחצה יעילים מבוססי גליום ניטריד עבור טכנולוגיות מפתח למעבר אנרגיה, במטרה לשפר את הביצועים ולהפחית עלויות בתחום האלקטרוניקה. התקדמות אלו תומכות בתחומים חיוניים כמו כלי רכב חשמליים ואנרגיה מתחדשת, ומניעות את המעבר לעבר חברה ניטרלית אקלימית. קרדיט: Fraunhofer IAF
מדענים פיתחו מוליכים למחצה GaN כדי להגביר את היעילות ולהפחית עלויות בכלי רכב חשמליים ואנרגיה מתחדשת, המסייעים במעבר האנרגיה.
טכנולוגיות מפתח חיוניות למעבר האנרגיה – כולל רכבים חשמליים, ממירי תשתיות טעינה, מערכות אחסון אנרגיה, כמו גם תחנות כוח סולאריות ורוח – תלויות במידה רבה ברכיבים אלקטרוניים המספקים ביצועים גבוהים ויעילות. פער פס רחב מוליכים למחצה חיוניים בפיתוח רכיבים אלה מכיוון שהם פועלים עם הפסדים נמוכים יותר, מטפלים במתחים גבוהים יותר וסובלים לטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה למוליכים למחצה (Si) מסורתיים מבוססי סיליקון.
מכון Fraunhofer for Applied State Physics IAF משתמש במוליך למחצה גליום ניטריד (GaN) לפיתוח טרנזיסטורים חדשניים ומעגלי כוח משולבים (GaN power ICs) עם ביצועים גבוהים וצפיפות אינטגרציה גבוהה עבור יישומי חשמל.
"מעבר האנרגיה נחוץ לא רק כדי לשמור על איכות החיים שלנו, אלא הוא גם הזדמנות להבטיח את החוזק הכלכלי של אירופה באמצעות טכנולוגיות עתידיות בתחומי הניידות ותעשיית האנרגיה. רכיבי מוליכים למחצה יעילים, חזקים וחסכוניים הם מרכיבי המפתח של השינוי הזה", מסביר ד"ר ריצ'רד ריינר, מדען ביחידה העסקית Power Electronics ב-Fraunhofer IAF.
חוקרים במכון עובדים כעת על מימוש טכנולוגיות HEMT מבוססות GaN עם מתחי חסימה של עד ומעל 1200 V, שיכולים לשמש עבור CO2 רבים.2 צעדי הפחתה כחלק ממעבר האנרגיה, כגון טעינה דו כיוונית של כלי רכב חשמליים. GaN HEMTs נועדו לספק אלטרנטיבה לטרנזיסטורי אפקט שדה של מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה (MOSFETs) העשויים מסיליקון קרביד (SiC), שהם מאוד יקרים ולכן אינם מתאימים לשימוש נרחב. Fraunhofer IAF נוקטת במספר גישות למטרה זו: עיבוד של GaN HEMTs על מצעי Si (GaN-on-Si HEMTs), שימוש במצעי נשא מבודדים מאוד כגון ספיר, SiC או גם GaN (GaN-on-Insulator HEMTs) ופיתוח טכנולוגיות GaN אנכיות.
GaN-on-Si HEMTs, GaN-on-insulator HEMTs ו- GaN HEMTs אנכיים עבור יישומי מתח גבוה
כל הגישות מאפשרות רכיבי GaN במתח גבוה בעלי ביצועים גבוהים, יעילים וחסכוניים עם פוטנציאל יישום גדול בתחומים טכנולוגיים מרכזיים של מעבר האנרגיה. HEMTs לרוחב GaN-on-Si כבר זמינים מסחרית, אך מוגבלים למתח חסימה של 650 V עקב עובי שכבת GaN מוגבל. על ידי אופטימיזציה מתמדת של החומר ועיבודו (אפיטקסיה, עיבוד, מבנה), חוקרים ב-Fraunhofer IAF הצליחו להדגים GaN-on-Si HEMTs עם מתחי חסימה סטטיים של מעל 1200 V. בנוסף, רכיבי הכוח הועברו ל-1100 V במעמד מדידה מכוון יישום (מדידות דופק כפול).
בגישה השנייה, החוקרים מחליפים את ה-Si המוליך במצעי נשא בעלי בידוד גבוה כמו ספיר, SiC או GaN, מה שמבטל למעשה את מגבלת המתח. ניתן לייצר HEMTs לרוחב GaN-on-sapphire בצורה חסכונית בהתבסס על עבודה מקדימה רלוונטית עבור יישומי דיודות פולטות אור וניתן לייצר אותם בקווי ייצור קיימים.
טכנולוגיות GaN אנכיות, שבהן זרימת הזרם עוברת אנכית דרך שכבות החומר, מאפשרות ביצועים גדולים אף יותר עם יעילות ויכולת אינטגרציה גבוהה יותר בו זמנית. בעשור הבא, החוקרים ב-Fraunhofer IAF רוצים להפוך את IC הכוח GaN אנכיים למתאימים לשימוש תעשייתי. המטרה היא גם לעזור לעצב את הקפיצה הטכנולוגית הבאה בטרנספורמציה לעבר חברה ניטרלית אקלימית.
מפגש: PCIM Europe 2024
ד"ר ריצ'רד ריינר יספק סקירה כללית של התפתחות ICs כוח GaN רוחביים ואנכיים במצגת שלו "Lateral and Vertical GaN Power ICs: Status and Future", אותה יעניק ב-12 ביוני בשעה 10:50 בבוקר ב-PCIM Europe הבמה הטכנולוגית באולם 7.
ד"ר ריצ'רד ריינר יספק גם תובנה לגבי הטכנולוגיות השונות לרוחב 1200 V GaN במצגת שלו "יותר מ-1200 V Breakdown and Low Area-Specific On-State Resistances by Progress in Lateral GaN-on-Si and GaN-on-Insulator Technologies", שיתקיים ב-12 ביוני בשעה 14:50 בבמה בריסל 2 במושב "קונספטים של מכשירים".
יוני-פרופ. ד"ר סטפן מונץ' יייצג גם את Fraunhofer IAF ב-PCIM Europe עם מצגת ב-11 ביוני בשעה 14:50 על שלב בריסל 1 במושב "GaN Converters": "מעל 99.7% יעיל של GaN-Based 6-Level Capacitive-Load Power Converter Power Converter ."
