Propiedades físicas de GaN Vs SiC

SiC y GaN se dirigen a diferentes sectores. GaN es a menudo un reemplazo superior para los MOSFET de superunión de Si en los segmentos de ~ 600 V (conmutadores/rectificadores de red). Como ejemplo, puede leer sobre el Little Box Challenge de Google de 2015, que estuvo dominado por equipos que usaban tecnología GaN. SiC es mejor para voltajes de servicios públicos más altos que GaN no puede (¿todavía?) abordar. Creo que SiC sobresale en potencias muy altas debido a sus propiedades térmicas, como locomotora y reemplaza a los IGBT y, en cierta medida, a los tiristores.

SiC son MOSFET o JFET con SiC en lugar de Si. Estos transistores son bastante similares al Si tradicional, pero con mejores propiedades en muchos aspectos. Espero que esta imagen de Mitsubishi Electric sea correcta para capturar el beneficio esencial de usar un material de banda prohibida más amplia:

Es decir, puede reducir el grosor de la capa de deriva porque el campo eléctrico de ruptura es mayor. Eso conduce a una menor resistencia por área de dispositivo. Esto, a su vez, le permite hacer que el transistor sea más pequeño lateralmente para una potencia dada, lo que reduce la capacitancia de la puerta para la misma potencia. Esto a su vez permite una mayor frecuencia o una mayor eficiencia. Otra ventaja son los parásitos de recuperación inversa más bajos para SiC, pero no sé por qué.

Los transistores GaN son sustancialmente diferentes, siendo generalmente HEMT y no MOSFET. Sin embargo, se controlan con un voltaje de puerta. Su carga de compuerta es muy baja para la misma potencia, lo que permite frecuencias muy altas y, al mismo tiempo, ofrece voltajes de ruptura bastante altos, aunque no tan altos como SiC. También conducen a la inversa, imitando el aspecto de diodo del cuerpo del MOSFET tradicional de 3 terminales, pero no tienen recuperación inversa, ya que la ruta de conducción inversa y directa son idénticas.

Gráficos como este muestran que la figura de mérito teórica es mejor para SiC que para Si, y mejor aún para GaN. Pero no sé exactamente cómo se calcula esto. Presumiblemente, la lógica es la misma que en la imagen de arriba. Un voltaje de ruptura más alto le permite reducir el espesor de la deriva. Tenga en cuenta la resistencia de la capa de deriva y podrá calcular esa cifra de mérito. Pero esto también pasa por alto otras métricas importantes, como la recuperación inversa y el tipo de dispositivo. Por ejemplo, todo el argumento de la capa de deriva no se aplica realmente a los HEMT. Este gráfico parece indicar que GaN aún está lejos de madurar o que un HEMT es inferior a un MOSFET para interruptores de alimentación, en caso de que el material permita ambos.

Cuando se seleccionan mosfets para la electrónica de potencia, es difícil saber qué propiedades del material 'a granel' se traducirán en propiedades que preocupan a los ingenieros porque no se trata solo de las propiedades del material, sino también de cómo se construye el mosfet.

Fuente: https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/gallium-oxide-power-electronics-cool-new-flavor

GaN tiene propiedades similares a SiC en casi todas las categorías, pero SiC tiene una mejor conductividad térmica. Una mejor conductividad térmica podría permitir que los dispositivos manejen más energía porque el calor se puede eliminar mejor.

Queda por ver si esto se traduce en mejores dispositivos con un material sobre el otro, al final del día, los diseñadores se preocupan por especificaciones como rdson y capacitancia de puerta (qué tan rápido puede cambiar el dispositivo). Estas especificaciones están determinadas por el material, pero principalmente por el diseño y la construcción. Sería más útil comparar las especificaciones de los dispositivos en lugar de las familias de materiales.

Quizás la diferencia más obvia es que GaN es un semiconductor de banda prohibida directa, mientras que SiC presenta una banda prohibida indirecta. Por lo tanto, se preferirá GaN en aplicaciones relacionadas con la luz, como los LED.

Los dispositivos GaN a menudo logran frecuencias de conmutación más altas en comparación con SiC, lo que en el caso de SMPS significa inductores/condensadores más pequeños para la misma potencia. Sin embargo, me cuesta relacionar este hecho con las propiedades físicas, podría ser una limitación puramente tecnológica que ya no podría aplicarse a las futuras generaciones de dispositivos SiC/GaN.

También señalaría las diferencias en las dos últimas filas de su tabla: dopaje y oxidación térmica. GaN es problemático con los dopantes de tipo p (más defectos, menos rendimiento), por lo que rara vez se ven diodos de GaN o FET de canal p. La oxidación térmica también parece ser problemática, lo que limita el uso de GaN en chips multicapa complejos. Entonces GaN no es de ninguna manera "mejor" que SiC, cada material tiene sus propias fortalezas y debilidades.

Hay un buen artículo en la edición de abril de 2021 de IEEE Spectrum ( https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/gallium-oxide-power-electronics-cool-new-flavor ) que aborda este problema, aunque en el contexto de semiconductores de óxido de galio. Esto es lo que obtuve de ese artículo (tenga en cuenta que no soy un físico de dispositivos).

La mayoría de las ventajas de materiales como GaN y óxido de galio se deben a sus voltajes de banda prohibida más altos, 1,12 V para Si y 3,5 V para GaN. Esto les permite soportar voltajes más altos que el Si (de ahí su utilidad para cambiar fuentes de alimentación y como amplificadores de RF). El voltaje de banda prohibida más alto también permite geometrías de dispositivos más pequeñas (como la longitud del canal) con el mismo voltaje aplicado que el Si, lo que significa que son posibles velocidades y frecuencias más altas.