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[分享] 1200V及更高电压:科学家挑战高性能GaN半导体的极限

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2024-7-16
发表于 2024-6-16 18:55:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
科学家们已经开发出GaN半导体,以提高电动汽车和可再生能源的效率,降低成本,帮助能源转型。



能源转型的关键技术 —— 包括电动汽车、充电基础设施转换器、能源存储系统以及太阳能和风能发电厂 —— 在很大程度上依赖于提供高性能和高效率的电子元件。宽带隙半导体在这些组件的开发中至关重要,因为与传统的硅基(Si)半导体相比,它们具有更低的损耗,处理更高的电压和更高的温度。
Fraunhofer应用固态物理研究所(IAF)使用功率半导体氮化镓(GaN),为电力电子应用开发了具有高性能和高集成密度的创新晶体管和集成功率电路(GaN功率IC)。
“能源转型不仅对保持我们的生活质量是必要的,而且也是通过未来在机动性和能源行业领域的技术来确保欧洲经济实力的机会。高效、强大且具有成本效益的半导体元件是这一转变的关键组件,”Fraunhofer IAF电力电子事业部科学家理查德·赖纳(Richard Reiner)博士解释道。
该研究所的研究人员目前正在致力于实现阻断电压高达1200伏及以上的基于GaN的HEMT技术,作为能源转型的一部分,该技术可用于许多减少二氧化碳的措施,例如电动汽车的双向充电。GaN HEMT旨在提供由碳化硅(SiC)制成的现有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的替代方案,该MOSFET非常成本密集,因此不适合广泛使用。Fraunhofer IAF正在为此寻求几种方法:在Si衬底上加工GaN HEMT(GaN on Si HEMT),使用高度绝缘的载体衬底,如蓝宝石、SiC或GaN(GaN on-insulator HEMT)以及开发垂直GaN技术。
高压用GaN-on-Si HEMT、GaN-On-绝缘体HEMT和垂直GaN HEMT
所有的方法都使高性能、高效、经济的高压GaN元件在能源转型的关键技术领域具有巨大的应用潜力。横向GaN-on- si hemt已经商业化,但由于GaN层厚度有限,阻断电压限制在650 V。通过不断优化材料及其加工(外延、加工、结构),Fraunhofer IAF的研究人员能够展示静态阻断电压超过1200 V的GaN-on-Si hemt。此外,在面向应用的测量平台中,功率元件被开关到1100V(双脉冲测量)。
在第二种方法中,研究人员用蓝宝石、碳化硅或氮化镓等高度绝缘的载流子衬底取代导电硅,这实际上消除了电压限制。基于发光二极管应用的相关前期工作,可以经济高效地制造横向蓝宝石上GaN HEMT,并且可以在现有的生产线上生产。
垂直GaN技术中,电流垂直流过材料层,可以实现更高的性能,同时具有更高的效率和集成能力。在接下来的十年里,Fraunhofer IAF的研究人员希望制造出适合工业用途的垂直GaN功率集成电路。其目的也是为了帮助形成向气候中立社会转型的下一次技术飞跃。

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