Ilmuwan Mendorong Batasan Semikonduktor GaN Berkinerja Tinggi

Para ilmuwan telah mengembangkan semikonduktor GaN untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya kendaraan listrik dan energi terbarukan, sehingga membantu transisi energi.

Teknologi penting yang penting bagi transisi energi—termasuk kendaraan listrik, konverter infrastruktur pengisian daya, sistem penyimpanan energi, serta pembangkit listrik tenaga surya dan angin—sangat bergantung pada komponen elektronik yang memberikan kinerja dan efisiensi tinggi. Celah pita yang lebar semikonduktor sangat penting dalam pengembangan komponen ini karena komponen tersebut beroperasi dengan rugi-rugi yang lebih rendah, menangani tegangan yang lebih tinggi, dan mentoleransi suhu yang lebih besar dibandingkan dengan semikonduktor berbasis silikon (Si) tradisional.

Institut Fraunhofer untuk Fisika Keadaan Padat Terapan (IAF) menggunakan semikonduktor daya galium nitrida (GaN) untuk mengembangkan transistor inovatif dan sirkuit daya terintegrasi (IC daya GaN) dengan kinerja tinggi dan kepadatan integrasi tinggi untuk aplikasi elektronika daya.

“Transisi energi tidak hanya diperlukan untuk menjaga kualitas hidup kita, namun juga merupakan peluang untuk mengamankan kekuatan ekonomi Eropa melalui teknologi masa depan di bidang mobilitas dan industri energi. “Komponen semikonduktor yang efisien, bertenaga, dan hemat biaya merupakan komponen kunci transformasi ini,” jelas Dr. Richard Reiner, ilmuwan di unit bisnis Power Electronics di Fraunhofer IAF.

Para peneliti di institut tersebut saat ini sedang mengerjakan realisasi teknologi HEMT berbasis GaN dengan pemblokiran tegangan hingga dan di atas 1200 V, yang dapat digunakan untuk berbagai macam CO.₂ langkah-langkah pengurangan sebagai bagian dari transisi energi, seperti pengisian dua arah pada kendaraan listrik. GaN HEMT dimaksudkan untuk memberikan alternatif terhadap transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) yang tersedia terbuat dari silikon karbida (SiC), yang harganya sangat mahal dan oleh karena itu tidak cocok untuk digunakan secara luas. Fraunhofer IAF mengambil beberapa pendekatan untuk tujuan ini: pemrosesan HEMT GaN pada substrat Si (HEMT GaN-on-Si), penggunaan substrat pembawa yang sangat terisolasi seperti safir, SiC atau juga GaN (HEMT GaN-on-isolator) dan pengembangan teknologi GaN vertikal.

HEMT GaN-on-Si, HEMT GaN-on-isolator, dan HEMT GaN vertikal untuk aplikasi tegangan tinggi

Semua pendekatan memungkinkan komponen GaN tegangan tinggi berkinerja tinggi, efisien, dan hemat biaya dengan potensi penerapan besar di bidang teknologi utama transisi energi. HEMT GaN-on-Si lateral tersedia secara komersial, tetapi terbatas pada tegangan pemblokiran 650 V karena terbatasnya ketebalan lapisan GaN. Dengan terus mengoptimalkan material dan pemrosesannya (epitaxy, pemrosesan, penataan), para peneliti di Fraunhofer IAF mampu mendemonstrasikan HEMT GaN-on-Si dengan tegangan pemblokiran statis lebih dari 1200 V. Selain itu, komponen daya dialihkan hingga 1100 V dalam dudukan pengukuran berorientasi aplikasi (pengukuran pulsa ganda).

Pada pendekatan kedua, para peneliti mengganti Si konduktif dengan substrat pembawa yang sangat terisolasi seperti safir, SiC, atau GaN, yang secara virtual menghilangkan penghalang tegangan. HEMT GaN-on-sapphire lateral dapat diproduksi dengan biaya efektif berdasarkan pekerjaan awal yang relevan untuk aplikasi dioda pemancar cahaya dan dapat diproduksi pada jalur produksi yang ada.

Teknologi GaN Vertikal, di mana arus mengalir secara vertikal melalui lapisan material, memungkinkan kinerja yang lebih baik dengan efisiensi dan kemampuan integrasi yang lebih tinggi pada saat yang bersamaan. Dalam dekade berikutnya, para peneliti di Fraunhofer IAF ingin menciptakan IC daya GaN vertikal yang cocok untuk keperluan industri. Tujuannya juga untuk membantu membentuk lompatan teknologi berikutnya dalam transformasi menuju masyarakat netral iklim.

Pertemuan: PCIM Eropa 2024

Richard Reiner akan memberikan gambaran umum tentang pengembangan IC daya GaN lateral dan vertikal dalam presentasinya “IC Daya GaN Lateral dan Vertikal: Status dan Masa Depan,” yang akan ia sampaikan pada 12 Juni pukul 10:50 di PCIM Eropa di Panggung Teknologi di Aula 7.

Richard Reiner juga akan memberikan wawasan tentang berbagai teknologi lateral 1200 V GaN dalam presentasinya “Kerusakan Lebih dari 1200 V dan Resistansi Spesifik Area Rendah di Negara berdasarkan Kemajuan Teknologi Lateral GaN-on-Si dan GaN-on-Insulator,” yang akan berlangsung pada 12 Juni pukul 14:50 di Tahap Brussels 2 dalam sesi “Konsep Perangkat”.

Juni-Prof. Stefan Mönch juga akan mewakili Fraunhofer IAF di PCIM Eropa dengan presentasi pada 11 Juni pukul 14:50 di Brussels Tahap 1 dalam sesi “GaN Converters”: “Pengonversi Daya Beban Kapasitif 6 Tingkat Berbasis GaN Lebih dari 99,7% Efisien.”