Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur à large bande interdite qui, comparé au silicium, offre d'excellentes caractéristiques et d'excellentes performances : rendement élevé, vitesse de commutation élevée, excellente gestion thermique, petite taille et faible poids. . Afin d'atteindre un niveau élevé d'adoption des dispositifs à base de GaN dans les applications de puissance, il est nécessaire de surmonter certains obstacles, principalement ceux liés à la fabrication à grande échelle et à la réduction des prix.
Lors de la PowerUp Virtual Expo, qui s'est déroulée en novembre 2021 et était entièrement dédiée aux semi-conducteurs à large bande interdite, Denis Marcon, PDG d'Innoscience, a fait une présentation sur ce sujet. Innoscience est une entreprise leader dont la mission est de faciliter l'accès à la technologie GaN sur le marché en fournissant les meilleurs dispositifs ultimes de leur catégorie au prix le plus bas.
Selon Marcon, la technologie GaN entre dans une nouvelle phase où il est nécessaire de fournir une fabrication à grande échelle et une sécurité d'approvisionnement afin de répondre à la demande de nouvelles applications à base de GaN qui ont fait leur apparition. De plus, il existe un fort besoin d'une réduction significative du prix du GaN qui permette aux gens de profiter de cette technologie sans payer de supplément. Innoscience répond à ces exigences en étant le plus grand fabricant de dispositifs intégrés (IDM) entièrement spécialisé pour la technologie GaN au monde. Innoscience possède la plus grande capacité de fabrication de tranches de GaN-sur-Si de 8 pouces au monde. Actuellement, la société est capable de fournir 10.000 14.000 wafers par mois, qui passeront à 8 70.000 wafers de 2025 pouces par mois d'ici la fin de l'année et jusqu'à XNUMX XNUMX wafers par mois d'ici XNUMX.
La technologie GaN a considérablement évolué ces dernières années. Jusqu'en 2010 environ, les entreprises étaient en pleine phase de R&D pour tester cette technologie innovante. Au cours de la deuxième phase, de 2010 à 2015, les premiers appareils arrivent sur le marché. Cela a changé la donne en permettant aux gens d'acheter des appareils GaN et de commencer à les utiliser dans de vrais projets. La phase 3 a commencé vers 2015, lorsque les ingénieurs système ont réalisé que l'introduction du GaN ne serait pas facile. Ils ne pouvaient pas simplement remplacer le silicium par du GaN pour un meilleur système, mais reconcevoir leur produit pour tirer parti des performances supérieures du GaN.
"Aujourd'hui, nous entrons dans la phase 4, où nous devrons nous concentrer sur la réduction des prix, la garantie de l'approvisionnement et la fabrication de GaN à grande échelle pour les applications émergentes", a déclaré Marcon.
Comme le montre la figure 1, la stratégie d'Innoscience pour obtenir ces résultats a d'abord été d'utiliser de grandes capacités de fabrication équipées d'un traitement de fabrication de silicium à haute performance. Le deuxième élément du plan d'Innoscience était d'augmenter le nombre de bonnes plaquettes semi-conductrices par plaquette, en utilisant une plaquette plus grande de 6 à 8 pouces, en réduisant la résistance de conduction spécifique (ce qui signifie que les dispositifs sont plus petits) et enfin en augmentant le nombre de bonnes puces semi-conductrices par plaquette (rendement).
« Notre première usine, basée à Zhuhai, est agréée automobile et est déjà équipée pour produire 4.000 16 wafers par mois. Plus tard, nous avons construit une deuxième usine à Suzhou qui est 6.000 fois plus grande que celle de Zhuhai et qui peut actuellement produire jusqu'à 65.000 XNUMX wafers par mois, bien qu'une fois terminée, elle produira jusqu'à XNUMX XNUMX wafers par mois. Toutes nos usines disposent de lignes de fabrication de silicium pour tirer parti de la longue histoire des progrès réalisés pour rationaliser le traitement de fabrication du silicium », a déclaré Marcon.
En ce qui concerne les FET GaN, Innoscience a pu réduire la résistance de conduction (RDS (activé)) spécifique, qui permet le développement de dispositifs plus petits, présentant à cet effet ce qu'Innoscience appelle "une couche d'amélioration de charge" qui est déposée après formation de la grille. Grâce à cela, Innoscience a réussi à augmenter la densité du gaz d'électrons 2D (2DEG) et ainsi diminuer la résistance du 2DEG qui affecte d'autres paramètres tels que la tension de seuil, les fuites, etc. La figure 2 montre que les tensions de seuil d'un dispositif GaN de référence (HEMT-A, noir) et d'un dispositif Innoscience GaN avec une couche d'amélioration de charge (HEMT-B, bleu) sont presque identiques, tandis que la résistance de conduction du second dispositif est considérablement réduite.
Innoscience a également beaucoup travaillé pour optimiser le rendement en épitaxie ainsi que le traitement du dispositif. Il a été montré que le RDS (activé) il est réparti uniformément sur plus de 10.000 XNUMX dispositifs de tranche. C'est également le cas avec la caractéristique de fluage en cisaillement, qui a une courbe très plate avec très peu de déviation au bord de la plaquette. Les deux paramètres montrent un excellent degré de reproductibilité plaquette à plaquette.
En ce qui concerne les applications, l'un des plus grands succès d'Innoscience est le chargeur d'alimentation USB avec plus de 30 millions d'appareils fournis à ce jour. Technologie InnoGaNTM permet aux concepteurs d'augmenter le niveau de puissance dans une taille plus petite, augmentant ainsi la densité de puissance. Un chargeur à base de GaN de 45 W peut atteindre une efficacité de 95,1 % avec une perte de 2,5 W, tandis qu'une solution à base de silicium offre une efficacité de 88 % avec une perte de 6,1 W. Appareils InnoGaNTM ils multiplient le rendement par 10 et multiplient la densité de puissance par 4, en plus d'augmenter le rendement énergétique de 50 % par rapport au silicium.
Une autre application notable correspond aux centres de données. La figure 3 décrit les étapes nécessaires pour fournir les niveaux de tension requis par un centre de données. La première étape consiste en un convertisseur AC/DC qui convertit essentiellement l'entrée 277VCA à 48VCC et a une puissance nominale de 3kW. Après être passé à 48V une autre conversion est nécessaire pour réduire le 48VCC jusqu'à 12VCC ou 5VCC, et puis on parle d'un convertisseur de 300 à 600W. Dans la dernière étape, la conversion est 12VCC ou 5VCC à 1VCC. Dans tous ces étages de conversion, le GaN permet de réduire la taille du convertisseur et d'augmenter son efficacité.
« Avec le GaN, et pour le courant de sortie maximal, nous sommes en mesure d'obtenir une réduction de 10 % des pertes de puissance. Cela signifie réduire de 10% le coût de l'énergie nécessaire au fonctionnement du data center. Pour mettre cela en perspective, cela signifie économiser 100 TWh d'ici 2030 en changeant simplement d'architecture - une économie d'énergie équivalente à 20 réacteurs nucléaires », a déclaré Marcon.
Comme indiqué, les usines d'Innoscience sont déjà certifiées pour la production de composants automobiles et Innoscience travaille avec un client de ce secteur pour faire certifier des appareils cette année. Les applications automobiles pour le GaN comprennent les convertisseurs CC/CC haute tension (650 V/950 V), les convertisseurs CC/CC 48 V/12 V, les chargeurs embarqués et le LiDAR. Par rapport aux MOSFET silicium 100 V conventionnels, les dispositifs InnoGaNTM de 100V multiplient par 13 la vitesse en conduction avec une largeur d'impulsion 15 fois plus petite. Cela permet aux concepteurs d'intégrer deux appareils sur la même puce, chacun contrôlant un laser indépendamment. Le résultat est une solution LiDAR moins chère, plus petite et plus simple.
"En utilisant la technologie GaN optimisée pour la fabrication à grande échelle et en utilisant des usines de fabrication de silicium à haute performance, nous répondons exactement aux besoins du marché et notre objectif est de rendre les technologies GaN disponibles dans autant d'applications que possible", a-t-il conclu. .
