Innoscience brengt GaN technologie binnen ieders bereik

192
GaN technologie

Galliumnitride (GaN) is een zogenaamd ‘wide bandgap’ halfgeleidermateriaal dat ten opzichte van silicium over enkele uitstekende kenmerken en voordelen beschikt. Denk onder meer aan een hoog rendement, hoge schakelsnelheid, uitstekend thermisch gedrag en minieme plaatsinname en gewicht. Om een grootschalige toepassing van op GaN technologie geënte apparatuur in vermogenstoepassingen te bereiken, moeten nog enkele hinderpalen overwonnen worden, die zich vooral situeren rond de productie van grote hoeveelheden en de prijs.

Tijdens de PowerUp Virtual Expo, een beurs specifiek gericht op ‘wide bandgap” halfgeleiders, gaf Denis Marcon, de general manager van Innoscience, een presentatie over dit onderwerp. Innoscience is een toonaangevend bedrijf met een duidelijke missie: GaN technologie breed beschikbaar maken op de markt door kwalitatieve en betrouwbare componenten aan te bieden tegen de laagst mogelijke prijs.

Volgens Marcon treedt de GaN technologie een nieuw tijdperk binnen, waarin er behoefte is aan productie van grote volumes en leveringszekerheid. Zo kunnen alle nieuwe toepassingen op basis van GaN die recent ontwikkeld werden ook ondersteund worden. Daarnaast is er een sterke behoefte aan een aanzienlijke prijsverlaging, zodat mensen kunnen genieten van de technologie zonder er een al te grote kost voor te betalen. Innoscience komt tegemoet aan deze behoefte, want het is de grootste Integrated Device Manufacture (IDM) ter wereld die zich volledig op GaN technologie richt. Innoscience bezit de grootste specifieke 8-inch GaN-on-Si wafer productiecapaciteit ter wereld. Momenteel is het bedrijf in staat om 10.000 wafers per maand te leveren; dit zal toenemen tot 14.000 8-inch wafers per maand later dit jaar en 70.000 wafers per maand tegen 2025.

De GaN technologie maakte de afgelopen jaren een markante evolutie door. Tot ongeveer 2010 waren bedrijven bezig met de O&O-fase, zodat ze het nut van deze innovatieve technologie konden aantonen. In de tweede fase – van 2010 tot 2015 – kwamen vervolgens de eerste apparaten op de markt; dit betekende een grote verandering. Iedereen kon nu apparaten komen met GaN technologie om ze in echte toepassingen te gebruiken. Fase 3 begon rond 2015, toen systeemingenieurs zich realiseerden dat GaN niet plug-and-play was. GaN technologie kon niet zomaar silicium vervangen om een apparaat beter te maken, er moest vaak een herontwerp van het product gebeuren om zo optimaal te genieten van betere GaN eigenschappen.

“Vandaag gaan we de vierde fase in, waarin we ons moeten richten op prijsverlaging, leveringszekerheid en massaproductie van GaN om al deze nieuwe toepassingen te ondersteunen”, aldus Marcon.

Zoals in onderstaand figuur te zien is, wil Innoscience’s dit in de eerste plaats bereiken door de inzet van een grote productiecapaciteit, voorzien van zeer snelle silicium productieprocessen. Het tweede element in de benadering van Innoscience is het verhogen van het aantal goede matrijzen per wafer, dit kan op meerdere manieren bereikt worden: ten eerste door gebruik te maken van een groter waferformaat – de overstap van 6-inch naar 8-inch, ten tweede het verlagen van de specifieke on-weerstand (wat kleinere apparaten betekent), en tenslotte het verhogen van het aantal goede matrijzen per wafer (opbrengst).

Innoscience 1
Innoscience-benadering van GaN-massaproductie en prijsverlaging.

“Onze eerste fabriek, in Zhuhai, is uitgerust volgens de standaarden van de automotive en kan 4.000 wpm (wafers per maand) produceren. Daarna hebben we een tweede productiefaciliteit gebouwd in Suzhou, die 16 keer groter is dan die in Zhuhai. Deze fabriek is nu uitgerust voor 6.000 wpm, maar zal bij voltooiing van de fabriek 65.000 wpm leveren. Al onze fabrieken maken gebruik van silicium productielijnen; zo maken we optimaal gebruik van de ervaring die er al is om de productieprocessen te optimaliseren”, aldus Marcon.

Ook de innovatie in GaN FET’s staat niet stil. Innoscience is erin geslaagd de specifieke on-weerstand, RDS(on),  te verminderen. Dat maakt de ontwikkeling van kleinere apparaten mogelijk. De basis hiervan ligt bij de invoering van wat Innoscience een “stress enhancement layer” noemt, een laag na het vormen van de gate wordt afgezet. Hierdoor is Innoscience erin geslaagd de dichtheid van het 2-D elektron-gas (2DEG) te verhogen en daardoor de 2DEG-weerstand te verlagen zonder dat dit gevolgen heeft voor andere parameters zoals drempelspanning of lekstroom, enz. Onderstaand figuur toont aan dat de vergelijking van de drempelspanningen van een referentie-GaN (HEMT-A, zwarte kleur) en van een Innoscience GaN-apparaat met de spanningsversterkende laag (HEMT-B, blauwe kleur), praktisch geen verschillen vertoont, terwijl de on-weerstand van het tweede apparaat wel aanzienlijk is verlaagd.

Innoscience 2
Vermindering van de on-weerstand door toepassing van een spanningsverhogende laag.

Innoscience heeft ook bergen werk verzet om de opbrengst te optimaliseren, zowel bij de epitaxie als bij de verwerking in het apparaat. De RDS(on) is bij meer dan 10.000 apparaten gecontroleerd en bleek gelijk verdeeld op de wafer. Hetzelfde geldt voor de lekkarakteristiek in de off-toestand, die een zeer vlakke curve vertoont met slechts een kleine afwijking aan de rand van de wafer. Beide parameters vertonen een uitstekende reproduceerbaarheid voor elk wafer.

Wat toepassingen betreft is de USB Power Delivery (PD) lader, met meer dan 30 miljoen verscheepte toestellen tot nu toe, één van de grootste successen van Innoscience. De InnoGaNTM technologie stelt ontwikkelaars in staat om meer vermogen te leveren in een kleiner formaat, waardoor de vermogensdichtheid toeneemt. Een 45W GaN-technologie PD lader kan 95,1% efficiëntie leveren met een verlies van 2,5W, vergelijk dat even met een silicium-gebaseerde oplossing die een efficiëntie heeft van ongeveer 88% met een verlies van 6,1W. InnoGaN TM -apparaten kunnen een 10x hogere frequentie aan, hebben een 4x hogere vermogensdichtheid en een 50% hogere energie-efficiëntie in vergelijking met silicium.

Een andere interessante toepassing zijn datacentra. Onderstaand figuur toont de stappen die nodig zijn om de in een datacentrum de vereiste spanningsniveaus te leveren. De eerste stap is een AC/DC-omzetter, die in principe de ingangsspanning van 277VAC omzet in 48VDC en een nominaal vermogen van 3kW heeft. Na de omvorming naar 48 V is een verdere omzetting nodig om de 48 VDC terug te brengen tot 12 VDC of 5 VDC, en hier hebben we het over een omvormer van 300 tot 600 W. Tot slot komt de  stap van 12VDC of 5VDC naar 1VDC. In al deze conversiestappen kunt u dankzij GaN de omvormer kleiner uitvoeren en de efficiëntie verhogen.

Innoscience 3
De meervoudige omvorming in een datacentrum.

“Met GaN kunnen we bij de maximale uitgangsstroom de vermogensverliezen met 10% verminderen. Dit betekent dat de energierekening voor dit datacenter 10% lager uitvalt. Om dit in breder perspectief te plaatsen, betekent dit dat je in 2030 wereldwijd 100 TWh kunt besparen door over te stappen op deze architectuur: deze energiebesparing staat gelijk aan 20 kernreactoren”, aldus Marcon.

Zoals reeds vermeld, zijn de productiefaciliteiten van Innoscience al gecertificeerd voor de productie van auto-onderdelen. Innoscience werkt ook al samen met een klant uit de auto-industrie om nog dit jaar goedgekeurde toestellen voor de auto-industrie klaar te hebben. Bij de GaN toepassingen voor de automotive vinden we onder meer DC-DC hoogspanningsomvormers (650V/950V), DC-DC 48V/12V omvormers, boordladers, en LiDAR. Vergeleken met conventionele 100V silicium MOSFET’s hebben 100V InnoGaNTM apparaten een 13x hogere inschakelsnelheid en een 15x smallere pulsbreedte. Daardoor kunnen ontwerpers twee apparaten op dezelfde chip plaatsen, die elk onafhankelijk een laser aansturen, wat resulteert in een goedkopere, kleinere en eenvoudigere LiDAR-oplossing.

“Dankzij onze geoptimaliseerde GaN-technologie voor massaproductie, en door gebruik te maken van silicone productieprocessen met een hoge doorvoercapaciteit, spelen we precies in op de marktbehoeften en is het ons doel om GaN-technologieën alomtegenwoordig te maken in zoveel mogelijk toepassingen”, concludeerde Marcon.

Meer infromatie bij Innoscience

Lees ook:

close

Digitale Nieuwsbrief

SCHRIJF JE IN VOOR ONZE WEKELIJKSE NIEUWSBRIEF EN BLIJF OP DE HOOGTE VAN ALLE INDUSTRIËLE EN TECHNISCHE ONTWIKKELINGEN!

Door jouw inschrijving voor de nieuwsbrief, ga je akkoord met onze privacy voorwaarden.