Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das im Vergleich zu Silizium hervorragende Eigenschaften und hervorragende Leistung bietet: hohe Effizienz, hohe Schaltgeschwindigkeit, hervorragendes Wärmemanagement, geringe Größe und geringes Gewicht. Um ein hohes Maß an Akzeptanz von GaN-basierten Geräten in Leistungsanwendungen zu erreichen, müssen einige Hindernisse überwunden werden, hauptsächlich solche, die mit der Herstellung in großem Maßstab und der Preissenkung zusammenhängen.
Während der PowerUp Virtual Expo, die im November 2021 stattfand und ganz den Wide-Bandgap-Halbleitern gewidmet war, hielt Denis Marcon, CEO von Innoscience, einen Vortrag zu diesem Thema. Innoscience ist ein führendes Unternehmen, dessen Mission es ist, den Zugang zur GaN-Technologie auf dem Markt zu erleichtern, indem es die besten, ultimativen Geräte zum niedrigsten Preis anbietet.
Laut Marcon tritt die GaN-Technologie in eine neue Phase ein, in der eine großtechnische Fertigung und Versorgungssicherheit erforderlich sind, um die Nachfrage nach neuen Anwendungen auf GaN-Basis zu befriedigen, die sich entwickelt haben. Darüber hinaus besteht ein starker Bedarf an einer erheblichen Preissenkung für GaN, die es den Menschen ermöglicht, diese Technologie zu genießen, ohne dafür extra zu bezahlen. Innoscience erfüllt diese Anforderungen, indem es der weltweit größte voll spezialisierte Hersteller integrierter Geräte (IDM) für die GaN-Technologie ist. Innoscience verfügt über die weltweit größte Produktionskapazität für 8-Zoll-GaN-auf-Si-Wafer. Derzeit ist das Unternehmen in der Lage, 10.000 Wafer pro Monat zu liefern, was bis Ende des Jahres auf 14.000 8-Zoll-Wafer pro Monat und bis 70.000 auf bis zu 2025 Wafer pro Monat steigen wird.
Die GaN-Technologie hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt. Bis etwa 2010 befanden sich die Unternehmen mitten in der F&E-Phase, in der diese innovative Technologie getestet wurde. In der zweiten Phase, von 2010 bis 2015, kamen die ersten Geräte auf den Markt. Dies war ein großer Wendepunkt, der es den Menschen ermöglichte, GaN-Geräte zu kaufen und sie in echten Projekten einzusetzen. Phase 3 begann um 2015, als Systemingenieure erkannten, dass die Einführung von GaN nicht einfach sein würde. Sie konnten nicht einfach Silizium durch GaN ersetzen, um ein besseres System zu erhalten, sondern ihr Produkt umgestalten, um die höhere Leistung von GaN zu nutzen.
„Heute treten wir in Phase 4 ein, in der wir uns darauf konzentrieren müssen, den Preis zu senken, die Versorgung sicherzustellen und GaN für neue Anwendungen in großem Maßstab herzustellen“, erklärte Marcon.
Wie Abbildung 1 zeigt, bestand die Strategie von Innoscience, um diese Ergebnisse zu erzielen, zunächst darin, große Fertigungskapazitäten einzusetzen, die mit Hochleistungs-Siliziumherstellungsprozessen ausgestattet waren. Das zweite Element im Plan von Innoscience bestand darin, die Anzahl guter Halbleiterwafer pro Wafer zu erhöhen, indem ein größerer Wafer von 6 auf 8 Zoll verwendet, der spezifische Leitungswiderstand verringert (was bedeutet, dass die Geräte kleiner sind) und schließlich die Anzahl guter Halbleiterchips pro Wafer erhöht wurde Waffel (Ertrag).
„Unsere erste Fabrik in Zhuhai ist für die Automobilindustrie zugelassen und bereits für die Produktion von 4.000 Wafern pro Monat ausgestattet. Später haben wir in Suzhou eine zweite Fabrik gebaut, die 16-mal größer ist als die in Zhuhai und die derzeit bis zu 6.000 Wafer pro Monat produzieren kann, obwohl sie nach ihrer Fertigstellung bis zu 65.000 Wafer pro Monat produzieren wird. Alle unsere Fabriken verfügen über Silizium-Fertigungslinien, um die Vorteile der langen Geschichte der Fortschritte zu nutzen, die zur Rationalisierung der Silizium-Fertigungsverarbeitung gemacht wurden“, sagte Marcon.
Bei GaN-FETs konnte Innoscience den Leitungswiderstand reduzieren (RDS (ein)) spezifisch, was die Entwicklung kleinerer Bauelemente ermöglicht und zu diesem Zweck das präsentiert, was Innoscience „eine Ladungsverstärkungsschicht“ nennt, die nach der Bildung des Gates abgeschieden wird. Dadurch ist es Innoscience gelungen, die Dichte des 2D-Elektronengases (2DEG) zu erhöhen und somit den Widerstand von 2DEG zu verringern, der andere Parameter wie Schwellenspannung, Leckage usw. beeinflusst. Abbildung 2 zeigt, dass die Schwellenspannungen eines Referenz-GaN-Geräts (HEMT-A, schwarz) und eines Innoscience-GaN-Geräts mit einer Ladungsverstärkungsschicht (HEMT-B, blau) nahezu gleich sind, während der Leitungswiderstand des zweiten Geräts wird deutlich reduziert.
Innoscience hat auch intensiv daran gearbeitet, die Ausbeute bei der Epitaxie sowie die Verarbeitung des Geräts zu optimieren. Es hat sich gezeigt, dass RDS (ein) es ist gleichmäßig auf mehr als 10.000 Wafer-Geräte verteilt. Dies ist auch bei der Scherkriechkennlinie der Fall, die einen sehr flachen Verlauf mit sehr geringer Abweichung am Waferrand aufweist. Beide Parameter zeigen ein hervorragendes Maß an Wafer-zu-Wafer-Reproduzierbarkeit.
Bei den Anwendungen ist einer der größten Erfolge von Innoscience der USB Power Charger mit bisher über 30 Millionen ausgelieferten Geräten. InnoGaN-TechnologieTM ermöglicht Designern, den Leistungspegel bei einer kleineren Größe zu erhöhen und somit die Leistungsdichte zu erhöhen. Ein 45-W-GaN-basiertes Ladegerät kann einen Wirkungsgrad von 95,1 % bei einem Verlust von 2,5 W erreichen, während eine siliziumbasierte Lösung einen Wirkungsgrad von 88 % bei einem Verlust von 6,1 W bietet. InnoGaN-GeräteTM Sie verzehnfachen die Effizienz und vervierfachen die Leistungsdichte und erhöhen die Energieeffizienz um 10 % im Vergleich zu Silizium.
Eine weitere bemerkenswerte Anwendung betrifft Rechenzentren. Abbildung 3 skizziert die Schritte, die erforderlich sind, um die von einem Rechenzentrum benötigten Spannungspegel bereitzustellen. Die erste Stufe besteht aus einem AC/DC-Wandler, der im Wesentlichen die 277-V-Eingangsspannung umwandeltCA zu 48VCC und hat eine Nennleistung von 3kW. Nach dem Wechsel auf 48 V ist eine weitere Umwandlung erforderlich, um die 48 V zu reduzierenCC bis 12VCC oder 5VCC, und dann sprechen wir über einen Konverter von 300 bis 600 W. Im letzten Schritt erfolgt die Umwandlung auf 12VCC oder 5VCC zu 1VCC. In all diesen Umwandlungsstufen ermöglicht GaN, die Größe des Konverters zu reduzieren und seine Effizienz zu steigern.
„Mit GaN und für den maximalen Ausgangsstrom können wir die Leistungsverluste um 10 % reduzieren. Das bedeutet eine Senkung der Energiekosten für den Betrieb des Rechenzentrums um 10 %. Um dies ins rechte Licht zu rücken, bedeutet dies, dass bis 100 allein durch eine Änderung der Architektur 2030 TWh eingespart werden – eine Energieeinsparung, die 20 Kernreaktoren entspricht“, erklärte Marcon.
Wie bereits erwähnt, sind Innoscience-Fabriken bereits für die Produktion von Automobilkomponenten zertifiziert, und Innoscience arbeitet mit einem Kunden in diesem Sektor zusammen, um Geräte in diesem Jahr zertifizieren zu lassen. Automotive-Anwendungen für GaN umfassen Hochspannungs-DC/DC-Wandler (650 V/950 V), 48 V/12 V DC/DC-Wandler, integrierte Ladegeräte und LiDAR. Im Vergleich zu herkömmlichen 100-V-Silizium-MOSFETs sind InnoGaN-GeräteTM von 100 V multiplizieren mit 13 die Leitungsgeschwindigkeit mit einer 15-mal kleineren Impulsbreite. Dadurch können Entwickler zwei Geräte auf demselben Chip integrieren, die jeweils einen Laser unabhängig voneinander steuern. Das Ergebnis ist eine billigere, kleinere und einfachere LiDAR-Lösung.
„Durch den Einsatz der für die Großserienfertigung optimierten GaN-Technologie und den Einsatz von Hochleistungs-Silizium-Fertigungsanlagen entsprechen wir genau den Anforderungen des Marktes und unser Ziel ist es, GaN-Technologien für so viele Anwendungen wie möglich verfügbar zu machen“, schloss Marcon .
