Светодиодное освещение на основе нитрида галлия уже позволяет значительно сократить количество потребляемой электроэнергии во всем мире, и прогнозируется, что через десять лет эта экономия может достичь 46%.
Но когда дело доходит до потребления электроэнергии, тут другая электроника. technology это может оказаться еще более ценным в решающем стремлении сократить глобальные выбросы углекислого газа, а именно в преобразовании энергии.
Наряду с ростом использования GaN в освещении, достижения в технологиях упаковки для силовой электроники были столь же значительными. Внедрение GaN и SiC требует инновационных подходов для управления возросшими мощностными возможностями. Особенно примечательны последние разработки в области технологий радиаторов, которые играют решающую роль в поддержании тепловых характеристик мощных устройств и обеспечении их надежности и эффективности в различных приложениях.
Большинство людей совершенно не подозревают о том, как на них влияет технология преобразования энергии, но этот процесс происходит много триллионов раз в день во всем мире и позволяет функционировать чему угодно: от мобильных телефонов до электромобилей, медицинских и промышленных систем. Фактически, любое применение, где переменный электрический ток необходимо преобразовать в постоянный ток или наоборот. А из-за неэффективности электронных устройств и систем, которые обеспечивают этот процесс, огромное количество энергии Земли ежедневно тратится впустую.
Новые технологии в области преобразования энергии
При производстве GaN и SiC выбор подложки имеет решающее значение. В то время как технология GaN-на-кремнии использует существующую инфраструктуру и обычно ограничивается напряжением 650 В, появление технологии GaN-на-Кромис-подложке (QST) позволяет создавать более толстые эпитаксиальные слои. Это нововведение позволяет работать при более высоких напряжениях, потенциально до 1,200 В и более, тем самым расширяя возможности использования GaN и SiC в приложениях силовой электроники высокого напряжения.
Справедливо сказать, что в области электроники был достигнут значительный прогресс в снижении такой неэффективности преобразования энергии благодаря созданию и внедрению различных устройств силовой электроники.
Влияние технологии GaN выходит за рамки традиционной силовой электроники и существенно влияет на системы возобновляемых источников энергии. Устройства GaN, известные своей высокой эффективностью, могут существенно снизить выбросы углекислого газа от таких систем, как солнечные панели и ветряные электростанции, способствуя созданию более устойчивых и экологически чистых энергетических решений в соответствии с глобальными усилиями по сохранению окружающей среды.
Ключевым игроком в этом был биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Это устройство хорошо зарекомендовало себя при проектировании преобразователей энергии и будет продолжать служить им, особенно в устаревших приложениях. Но в долгосрочной перспективе усовершенствованные нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) полупроводник устройства будут шагом вперед.
Переход к пластинам большего диаметра при производстве GaN и SiC сопряжен с рядом проблем. Ключевыми препятствиями являются управление стрессом и адаптация существующих технологий для более крупных пластин. Стратегический сдвиг в сторону 8-дюймовых фабрик направлен на использование преимуществ более крупных пластин, но предполагает сложный и кропотливый процесс разработки, подчеркивающий сложную природу производства полупроводников в сфере современных материалов, таких как GaN и SiC.
Фактор запрещенной зоны
И GaN, и SiC принадлежат к классу устройств, называемых широкозонными полупроводниками. Ширина запрещенной зоны полупроводника определяется как энергия в электронвольтах, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Валентная зона — это просто самая внешняя электронная орбита атома любого конкретного материала, которую занимают электроны.
Разность энергий между самым высоким занятым энергетическим состоянием валентной зоны и самым низким незанятым состоянием зоны проводимости называется шириной запрещенной зоны и указывает на электропроводность материала. Большая запрещенная зона означает, что для возбуждения валентных электронов в зону проводимости требуется много энергии. И наоборот, когда валентная зона и зона проводимости перекрываются, как это происходит в металлах, электроны могут легко перепрыгивать между двумя зонами, а это означает, что материал классифицируется как высокопроводящий.
Разницу между проводниками, изоляторами и полупроводниками можно показать по тому, насколько велика их запрещенная зона. Изоляторы характеризуются большой запрещенной зоной, поэтому для перемещения электронов из валентной зоны для образования тока требуется большое количество энергии. В проводниках зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому валентные электроны в таких проводниках свободны.
Однако полупроводники имеют небольшую запрещенную зону, которая позволяет небольшому количеству валентных электронов материала перемещаться в зону проводимости. Это свойство придает им проводимость между проводниками и изоляторами, что является одной из причин, почему они идеально подходят для цепей, поскольку не вызывают короткого замыкания, как проводник.
Устройства на основе GaN и SiC уже продемонстрировали огромный потенциал в повышении уровня эффективности преобразования энергии и, таким образом, в экономии значительного количества электроэнергии.
Эти две технологии имеют преимущества перед другими, и если их принять во внимание, то в настоящее время кажется, что обе найдут ценное место в преобразовании энергии. Но каковы некоторые различия?
Фактор открытия при отказе
Преимущество металлооксидно-полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET) на основе SiC заключается в том, что они являются устройствами с отказоустойчивым открытием.
Это означает, что при выходе из строя цепи устройство перестает проводить ток. Это исключает возможность того, что неисправность может привести к короткому замыканию и возможному возгоранию или взрыву. Однако эта полезная, а иногда и важная особенность означает, что его электроны движутся не так быстро, а это, к сожалению, увеличивает сопротивление, которое является главным врагом эффективного преобразования энергии.
Введите устройства на основе GaN, которые обладают высокой подвижностью электронов. GaN-транзисторы отличаются тем, что большая часть тока, протекающего через устройство, обусловлена скоростью электронов, а не количеством заряда. Это означает, что заряд должен войти в устройство, чтобы включить или выключить его. Это сокращает энергию, необходимую для каждого цикла переключения, и обеспечивает более эффективную операцию преобразования энергии.
Но вместо того, чтобы рассматривать одну конкретную технологию как победившую, следует помнить, что иногда различные эксплуатационные характеристики и вытекающие из этого преимущества как GaN, так и SiC могут быть полезны в определенных приложениях.
Давайте посмотрим на производителей автомобилей и их выбор, когда речь идет о решениях с широкой запрещенной зоной применительно к конструкциям электромобилей (EV), и, в частности, на работу, которую выполняет инвертор транспортного средства, что по сути является преобразованием энергии.
Электромобилям необходим инвертор для преобразования постоянного тока от литиевой батареи в переменный ток, который может использовать электродвигатель автомобиля. Поставщиками устройств SiC был выбор Илона Маска для его автомобилей Tesla, и теперь его примеру последовали китайские производители автомобилей BYD, Toyota, Hyundai и Mercedes.
Однако устройства SiC не совсем подходят автопроизводителям.
Более высокие скорости переключения, возможные при использовании GaN, являются мощным преимуществом инверторов EV, поскольку они используют жесткое переключение. Это повышает производительность за счет быстрого переключения из включения и выключения, чтобы сократить время, в течение которого устройство удерживает высокое напряжение и пропускает большой ток.
Помимо инвертора, электромобиль также обычно имеет встроенное зарядное устройство, которое позволяет заряжать автомобиль от сетевого тока путем преобразования переменного тока в постоянный. И здесь GaN очень привлекателен.
Использование SiC в автомобильной промышленности сопряжено с рядом проблем. Подложки SiC недешевы и составляют почти 50% стоимости материалов для производства устройства. Карбид кремния по своей сути является малопроизводительным производственным процессом, а пластина прозрачна, что требует дорогостоящего метрологического оборудования для мониторинга процесса.
Изготовление устройств из SiC сложнее, чем производство полупроводников на основе Si, а твердость SiC затрудняет процессы травления и оксидирования затвора.
Когда дело доходит до производства автомобилей, автопроизводителям необходимы большие объемы поставляемой продукции для поддержания работоспособности производственных линий, и здесь поставки SiC ограничены, что является еще одним препятствием для его внедрения в автомобильной промышленности.
По сравнению с SiC, GaN выращивается на менее дорогой подложке Si. Однако для сильноточных приложений им требуется кристалл большего размера по сравнению с SiC.
Паранойя надежности компонентов
Использование кремниевых подложек иногда может вызвать такие проблемы, как несоответствие решеток и дислокации, которые, в свою очередь, вызывают утечку тока затвора и снижение надежности, а автопроизводители параноидально относятся к надежности компонентов, поскольку эксплуатационные сбои приводят к увеличению возвратов по гарантии на автомобили и впоследствии отнимают кусок у автопроизводителя. прибыль.
Следует признать, что эти проблемы с GaN можно было бы легко решить за счет более мощных эпитаксионных слоев, но это, в свою очередь, приведет к увеличению общей стоимости компонентов, и, опять же, автопроизводители очень заботятся о цене поставляемых компонентов. .
При создании подходящих полупроводниковых устройств для использования в автомобилях всегда необходимо учитывать температурные аспекты, а поскольку GaN выращивается на подложке из кремния, его теплопроводность зависит от того, как ведут себя подложки из кремния.
GaN имеет ограничения для автомобильных приложений высокой мощности (свыше 10 кВт) и предпочтителен для устройств с напряжением ниже 600 В, но у него есть потенциал для выхода на рынок инверторов с многоуровневой топологией питания. Поскольку автопроизводителям требуется все больше энергии для таких функций, как информационно-развлекательные системы, быстрая связь, камеры и радары, растет интерес к системам с напряжением 48 В. В этом аспекте подходит GaN, поскольку он конкурентоспособен по цене.
Будущие перспективы силовой электроники
Как упоминалось ранее, GaN обеспечивает экономию средств на уровне системы. Стоимость устройства и системы зависит от стоимости подложки, изготовления пластин, упаковки и общего выхода производственного процесса.
SiC и GaN удовлетворяют различным требованиям по напряжению, мощности и приложениям. Карбид кремния выдерживает напряжение до 1,200 В и обладает высокой токовой нагрузкой. Это делает их пригодными для применения в автомобильных инверторах и солнечных электростанциях.
В качестве альтернативы, благодаря своим возможностям переключения на высоких частотах и ценовым преимуществам, GaN стал предпочтительным устройством для многих разработчиков в приложениях с мощностью <10 кВт.
Так что это лишь некоторые из эксплуатационных различий между двумя технологиями запрещенной зоны, и ответить на главный вопрос о том, какая из них станет абсолютным победителем, на данном этапе невозможно, прежде всего потому, что обе технологии постоянно развиваются с точки зрения производительности.
Заглядывая в будущее, индустрия силовой электроники присматривается к новым материалам, таким как оксид галлия (Ga2O3). Хотя Ga2O3 имеет многообещающий потенциал, его внедрение будет постепенным, учитывая консервативный характер отрасли. Широкое признание и применение этих новых материалов в сценариях большой мощности будет зависеть от их способности доказать свою эффективность.
Что касается GaN, то он способен обеспечивать очень быстрое переключение, одновременно работая при высоких температурах. Он также имеет преимущества в размерах, считается, что он имеет низкий углеродный след и очень разумен с точки зрения производственных затрат.
С точки зрения SiC, дела у производителей этих устройств идут хорошо, когда дело доходит до рынка электромобилей.
По данным консалтинговой компании McKinsey, электромобили с аккумулятором 800 В (BEV), скорее всего, будут использовать инверторы на основе SiC из-за их высокой эффективности, и ожидается, что к концу десятилетия BEV будут составлять 75% электромобилей. рынок.
Если оставить в стороне технические различия между двумя технологиями, что говорят аналитики и эксперты о том, насколько хорошо они будут продаваться до конца этого десятилетия?
Если усреднить мнения отраслевых экспертов, то кажется, что у SiC дела пойдут хорошо, а совокупный годовой темп роста продаж (CAGR) достигнет 29%, а глобальная цифра достигнет 12 миллиардов евро к 2030 году.
Финансовая картина продаж устройств GaN выглядит столь же радужно. Хотя среднегодовой темп роста среди аналитиков рынка, как правило, варьируется в широких пределах, общий средний показатель составляет 26%, а объем продаж должен достичь примерно 10 миллиардов евро к 2030 году.
Таким образом, с точки зрения технической компетентности, универсальности применения и способности зарабатывать полупроводниковым компаниям много денег, между GaN и Sic не так уж много различий, и, возможно, если в конечном итоге и появится победитель гонки за запрещенную зону, то это будет зависит от того, кто из них сможет продемонстрировать наиболее прорывную технологию.