Dispositivos de potencia mejores abren el camino a aplicaciones de alta tensión

Los semiconductores de potencia desempeñan una función importante en la conversión energética de una amplia gama de dispositivos electrónicos comunes, como teléfonos inteligentes, ordenadores, sistemas fotovoltaicos y vehículos eléctricos. La popularidad en todos los sentidos de estos semiconductores invita a que la comunidad científica trabaje en aumentar su eficacia energética y rentabilidad.

En el proyecto PowerBase, financiado en parte con fondos europeos y compuesto por treinta y nueve socios de nueve países europeos, se han dado importantes pasos para lograrlo. La financiación de PowerBase también ha contribuido al desarrollo de una nueva tecnología de sustrato de nitruro de galio (GaN) con la que los dispositivos eléctricos podrán funcionar a más de seiscientos cincuenta voltios. Este logro se anunció recientemente en un centro internacional de investigación, desarrollo e innovación de Bélgica y una fabricantes de semiconductores estadounidense sin plantas de producción propia. Su labor conjunta impulsó el desarrollo de semiconductores de potencia más eficientes.

La eficacia energética de estos nuevos dispositivos se debe al GaN, una tecnología con mucho futuro en las aplicaciones de semiconductores de potencia. El calor que generan las pérdidas de energía es un efecto secundario importante en electrónica. Los dispositivos y circuitos electrónicos generan calor cuando funcionan. Cuanto más y más rápido funcionan, más calor residual crean, lo cual merma el rendimiento y provoca que fallen antes de tiempo. El GaN, gracias a su resistencia a fallos y velocidad de conmutación mayores, podría reducir las pérdidas de energía durante los procesos de conversión energética.

Hasta ahora, la tecnología de GaN sobre silicio se ha utilizado en dispositivos de potencia de GaN comerciales que funcionan en hasta seiscientos cincuenta voltios y con capas intermedias de doscientos milímetros entre el dispositivo de GaN y el sustrato de silicio. No obstante, para aplicaciones como la energía renovable o los vehículos eléctricos, que precisan funcionar a más de seiscientos cincuenta voltios, los dispositivos de potencia basados en GaN no son ideales.

La dificultad estriba en aumentar el grosor de la oblea, la cual se basa en nitruro de aluminio y galio (AlGaN), al nivel necesario para lograr un mayor perforación y menos fugas. Esto se produce por la descompensación existente entre el coeficiente de dilatación térmica entre las capas epitaxiales de GaN/AlGaN y el sustrato de silicio. Dicho de otro modo, ambas partes se expanden a distinta velocidad cuando cambia la temperatura. Si bien usar sustratos de silicio más gruesos es una de las formas de evitar que las obleas se deformen y ondulen a novecientos voltios o más, esto provoca otros problemas como la pérdida de resistencia mecánica e inconvenientes adicionales de compatibilidad en algunas herramientas de procesamiento.

Este problema se resolvió mediante el desarrollo de dispositivos de potencia p-GaN con modo mejorado de alto rendimiento sobre sustratos de doscientos milímetros con coeficientes de dilatación térmica correspondientes. La expansión térmica de los sustratos se asemeja en gran medida a la de las capas epitaxiales de GAN/AlGaN. De este modo se sienta la base para crear dispositivos de potencia con obleas de novecientos a mil doscientos voltios y más sobre grosores estándar de doscientos milímetros, lo cual abre la puerta a una serie de aplicaciones nuevas e interesantes.

PowerBase (Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications) ya está llegando a su fin, pero su trabajo ha logrado mejorar las tecnologías de semiconductores de potencia modernas. Para lograrlo se dedicó a crear una línea piloto con tecnología de banda prohibida ancha de GaN y a ampliar los límites de los materiales de sustrato de silicio modernos utilizados en los semiconductores de potencia. Otros logros incluyeron la introducción de tecnologías de empaquetado avanzadas a partir de una línea piloto de empotrado de chips y la demostración del potencial de innovación en cuanto a dispositivos de potencia compactos.

Para más información, consulte:
Sitio web del proyecto PowerBase