Projetos Superiores com Semicondutores de Banda Proibida Ultra Larga (ART4631)

A busca por melhor desempenho

Tenho alguma herança italiana. Além de ser um autoproclamado conhecedor de comida italiana, principalmente do que constitui uma excelente pizza, também tenho um pouco de desejo de dirigir na estrada em uma Ferrari SF90 Stradale em vez de meu Lexus ES300. O nome do supercarro é uma referência ao 90º aniversário da fundação da divisão de corrida da Ferrari. Scuderia Ferrari (SF), que incorpora as realizações da engenharia da Ferrari no mundo automotivo.

O SF90 Stradale é o primeiro Ferrari a apresentar a arquitetura Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), que vê o motor de combustão interna integrado com três motores elétricos. Embora os carros movidos a gasolina da Ferrari sejam conhecidos como obras de arte de engenharia de alto desempenho, a nova versão híbrida-elétrica supera (2,5 segundos, 0-100km / h) e empurra o conjunto para um desempenho ultra-alto.

Ultra-Performance

Como o SF90, o surgimento de semicondutores UWBG (ultra-wide bandgap ou Banda Proibida Ultra Larga) abre novas oportunidades em muitos campos por causa de suas muitas propriedades superiores. Semicondutores UWBG têm bandgaps consideravelmente maiores do que o silício (Si, bandgap 1.1eV) e semicondutores de bandas proibidas largas, como nitreto de gálio (GaN, bandgap 3.4eV) e carboneto de silício (SiC, bandgap 3.3eV). Materiais como óxido de gálio (Ga2O3), nitreto de boro cúbico (c-BN) e nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) estão no foco das pesquisas de materiais semicondutores. Este artigo apresentará esses materiais semicondutores UWBG, incluindo aplicações potenciais em design eletrônico. (Para este artigo, UWBGs serão definidos como semicondutores com bandas proibidas ou bandgaps de ≥ 4eV.)

WBG

Antes de olhar para os semicondutores UWBG, uma revisão do status dos semicondutores WBG em comparação com o Si tradicional é garantida. Os semicondutores WBG são menores, mais rápidos e mais eficientes do que os componentes à base de Si correspondentes. Os dispositivos WBG também oferecem maior confiabilidade em condições operacionais mais desafiadoras.

Algumas das vantagens dos semicondutores WBG sobre o Si na eletrônica de potência incluem perdas mais baixas para maior eficiência, frequências de comutação mais altas para projetos mais compactos, temperaturas de operação mais altas, robustez em ambientes hostis e altas tensões de ruptura.

As diversas aplicações variam de funções industriais, como acionamentos de motores e fontes de alimentação, a sistemas automotivos e de transporte, incluindo veículos híbridos e elétricos (HEV / EV), inversores fotovoltaicos (PV), ferrovias e turbinas eólicas. Os fornecedores que fabricam esses produtos incluem:

• GaN Systems

• Infineon Technologies

• ON Semiconductor

• Qorvo

• ROHM Semiconductor

• STMicroelectronics

• Wolfspeed / Cree

Semicondutores UWBG

Nitreto de Gálio de Alumínio (AlGaN)

GaN é um semicondutor WBG. Quando o alumínio (Al) é introduzido no GaN, um semicondutor UWBG pode ser criado, normalmente na faixa de 3,4eV-6,2eV. AlGaN é mais frequentemente empregado para produzir diodos emissores de luz (LEDs) e diodos de laser. AlGaN é usado dessa forma porque sua banda proibida produz luz na faixa aproximada de 220nm-450nm. Ele também encontra aplicação como detector de ultravioleta e em transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMT).

Nitreto de alumínio (AlN)

Deixar de fora o gálio (Ga) e trabalhar apenas com alumínio (Al) e nitrogênio oxidado, também conhecido como nitreto; este processo produz nitreto de alumínio (AlN) (Figura 1). Como o AlGaN, é frequentemente empregado em optoeletrônica para itens como LEDs ultravioleta (UV). AlN tem uma banda proibida de 6,1eV e tem excelentes especificações de condutividade térmica além de ser é quimicamente estável. Ele pode operar em altas frequências e níveis de potência.

Figura 1: Nitreto de alumínio (fórmula AlN) é frequentemente empregado em optoeletrônica para itens como LEDs ultravioleta (UV). (Fonte: Orange Deer studio / Shutterstock.com) | Clique na imagem para ampliar |

Nitreto de Boro Cúbico (c-BN)

Boro e nitrogênio (Figura 2) podem ser reunidos para produzir nitreto de boro, uma forma dos quais é nitreto de boro cúbico (c-BN). C-BN tem um UWBG de 6,4eV. Uma das coisas que torna este composto único é que ele tem propriedades semelhantes às do diamante, carbono puro (C), que tem uma banda proibida de 5,5 eV. Os diamantes são conhecidos por serem o material mais duro. O C-BN não é tão duro quanto o diamante, mas oferece níveis mais elevados de estabilidade química e térmica.

Figura 2: Símbolos vetoriais para boro e nitrogênio com informações da tabela periódica e representação atômica no fundo. (Fonte: Mouser Electronics) | Clique na imagem para ampliar |

Trióxido de gálio (Ga₂O₃)

Com uma banda probida de 4,9eV, o trióxido de gálio (Ga₂O₃) é um composto inorgânico que é uma versão oxidada do gálio (Tabela 1). Ele tem sido empregado principalmente em aplicações optoeletrônicas. Este material pode ser dopado à temperatura ambiente, o que oferece vantagens potenciais de fabricação. Os cientistas estão explorando a possibilidade de produzir wafers de baixo custo e grande diâmetro usando o crescimento por fusão para fabricar cristais únicos a granel.

Tabela 1: Características de bandgap de vários materiais UWBG. (Fonte: Autor).

Eletrônica de potência

Os semicondutores WBG permitiram uma conversão de energia mais eficiente e compacta em várias aplicações. Semicondutores WBG oferecem menor perda ôhmica. A motivação para explorar materiais semicondutores UWBG é motivada pelo desejo de alcançar algumas melhorias na ordem de magnitude da densidade de potência análogas à transição de componentes Si para WBG. Os semicondutores UWBG também oferecem a possibilidade de manusear tensões alternadas elevadas sem sofrer colapso térmico ou problemas de confiabilidade. Por exemplo, AlGaN pode oferecer Ron ~ 10x menor do que GaN. UWBG também oferece:

• Maior eficiência em frequências mais altas

• Perdas ôhmicas mais baixas

• Menores dimensões

• Maior confiabilidade

Figuras de Mérito

Com o objetivo de produzir densidades de potência de conversão mais altas (Watts / área3), os engenheiros empregam figuras de mérito (FOM). Dois FOMs essenciais usados ​​na escala de densidade de potência com propriedades de material semicondutor são:

Figura de mérito vertical unipolar (Baliga) (vUFOM): (ɛμnEc3) / 4

Figura de mérito material de Huang (HM-FOM): Ecµn1 / 2

A fórmula UFOM é derivada da relação matemática entre o estado desligado, a lei de Gauss e o estado ligado. O item principal em que desejamos nos concentrar é EC, o campo elétrico crítico. Para GaN, EC está entre 4 e 5, enquanto para AlN, EC é cerca de 13.

O FOM relativo para Si é definido como um. Suponha que se substitua os valores Ec de volta nas equações FOM acima. Nesse caso, os resultados mostrarão que o AlN e os semicondutores UWBG relacionados produzirão melhorias consideráveis ​​no FOM, oferecendo aos cientistas e projetistas a esperança de que o UWBG ofereça uma excelente promessa para aplicações de conversão de energia de alta densidade (Tabela 2). Dispositivos de dois terminais, incluindo PiN, Schottky Barrier (SBD), Junction Barrier Schottky (JBS) e diodos Merged PiN / Schottky (MPS), estão sendo avaliados na tentativa de desenvolver componentes viáveis.

Tabela 2: Valores de Figuras de Mérito (FOM) (Fonte: Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE).

Benefícios

Os materiais UWBG também oferecem benefícios em relação aos materiais WBG em altas tensões em faixas de frequência média (1kHz a 1MHz). Esse benefício não é tão favorável em frequências baixas e altas por causa de outros efeitos que afetam o desempenho.

O UWBG oferece benefícios em relação aos materiais WBG, pois as tensões de ruptura aumentam com intervalos de banda maiores. Dispositivos semicondutores UWBG desenvolvidos usando regiões de deriva mais espessas mostram tensão de ruptura mais alta. Composições de AL mais altas em dispositivos AlGaN fornecem tensões de ruptura mais altas. No entanto, existe uma desvantagem. Esses níveis mais elevados de AL também levam a uma maior mobilidade de elétrons. A condutividade térmica tem um problema semelhante. Aumentar o campo elétrico crítico (Ec) pode aumentar potencialmente o valor de quebra de tensão (VB). É teoricamente concebível desenvolver componentes com AlN com tensões de ruptura de 1 x 10⁵.

Os UWBGs também podem oferecer vantagens para dispositivos de radiofrequência (RF). AlGaN rico em Al produz melhor Johnson Figure of Merit (J-FOM) do que GaN por causa de campos elétricos críticos mais elevados (Ec). Este forte dimensionamento do campo elétrico crítico com banda proibida fornece FOMs aprimorados, que oferecem um potencial significativo para avançar além dos limites atuais da eletrônica de potência.

Pesquisa em andamento

Mais pesquisas são necessárias e estão em andamento. Uma área que está sendo investigada inclui pesquisa de materiais básicos. Os pesquisadores estão estudando como aumentar com eficiência e eficácia semicondutores UWBG epitaxiais e em massa. Investigações estão sendo realizadas para determinar a melhor maneira de reduzir os defeitos latentes e, ao mesmo tempo, otimizar os processos de dopagem e caracterizar os materiais. Em particular, a dopagem do tipo p com aumento do teor de Al produz um desafio.

Além disso, a ativação térmica das lacunas não é viável para ligas de alto Al. Na física, a experimentação está continuamente relacionada à melhor maneira de oferecer suporte eficiente ao transporte eletrônico em várias condições de campo eletrônico. Propriedades ópticas e falhas elétricas oferecem aos físicos desafios emocionantes para tentar controlar e fazer avanços. A arquitetura, embalagem, fabricação e processamento do dispositivo exigem trabalho para levar os produtos à comercialização. Os terminais adequados são críticos para evitar quebra prematura, portanto, vários esquemas de terminais estão sendo avaliados. A coleta de informações relacionadas às aplicações em que os semicondutores UWBG podem ser benéficos está em andamento.

Conclusão

Os semicondutores UWBG representam a próxima geração de ultra-alto desempenho para eletrônicos de alta potência. Ao aprender sobre suas vantagens potenciais e aplicações em design eletrônico para o futuro, pode-se ter certeza de que a inovação continuará a estimular novos avanços que ajudam os designers a realizar e alcançar avanços além dos limites atuais. Enquanto cientistas e designers desenvolvem melhorias de processo para capitalizar sobre as propriedades superiores dos semicondutores UWBG, espero poder incorporá-los em meu próximo projeto.

Se um dia você vir uma Ferrari SF90 Stradale vermelha passando por você na rodovia, dê um aceno e tire o chapéu para a equipe de engenharia da Ferrari por sua inovação e busca zelosa por altíssimo desempenho.

Biografia do autor