Nitrid gallia (GaN) je polovodičový materiál s širokým zakázaným pásem, který ve srovnání s křemíkem vykazuje četné vynikající vlastnosti a lepší výkon. Polovodičové součástky s GaN mají velkou účinnost, vysokou rychlost spínání, vynikající management tepla, malé rozměry a hmotnost. Aby bylo možné dosáhnout širokého přijetí polovodičových součástek s GaN ve výkonové elektronice, je stále třeba překonat mnohé překážky, zejména pokud jde o velkosériovou výrobu takových součástek a snížení jejich ceny.

Během akce PowerUp Virtual Expo, která se konala v listopadu 2021 a byla zaměřena na polovodičové materiály s širokým zakázaným pásem, měl přednášku také Denis Marcon, generální ředitel firmy Innoscience. Innoscience je přední společnost, která má za cíl zpřístupnit polovodiče GaN trhu tím, že bude dodávat spolehlivé polovodičové součástky nejlepší ve své třídě a za nejnižší cenu.

Podle Marcona vstupujeme do nové fáze využití GaN, kdy je třeba zajistit výrobu velkého objemu součástek a zabezpečit dodávky pro všechna nová zařízení založená na součástkách s GaN, která se objevila a objevují na trhu.

Navíc je zde silná potřeba výrazného snížení ceny součástek s GaN, aby lidé mohli využívat výhody tohoto polovodiče, aniž by to pro ně bylo neúměrně drahé. Společnost Innoscience je největší společností na světě zabývající se výrobou integrovaných obvodů (IDM), která se plně zaměřuje na GaN, a problémy spojené s implementací GaN si proto plně uvědomuje. Společnost Innoscience vlastní největší výrobní kapacitu na světě pro výrobu 8" waferů GaN-on-Si. V současné době je společnost schopná dodávat 10 000 waferů měsíčně, ale ještě tento rok se kapacita zvýší na 14 000 kusů 8" waferů za měsíc s výhledem 70 000 waferů za měsíc do roku 2025.

Technologie GaN se v průběhu let značně rozvinula. Až do roku 2010 se firmy věnovaly fázi výzkumu a vývoje technologie GaN. V druhé fázi – od roku 2010 do roku 2015 – již přicházely na trh první součástky, což představovalo velkou změnu, která lidem umožnila kupovat zařízení se součástkami GaN a začít je používat v reálných projektech. Třetí fáze začala kolem roku 2015, kdy si systémoví inženýři uvědomili, že zařízení GaN nejsou „plug-and-play“. Nemohli jen nahradit desky s křemíkovými polovodičovými součástkami za desky se součástkami s GaN, aby tak získali lepší systém, ale museli svůj výrobek zcela přepracovat, aby mohli vyšší výkon GaN plně využít.

„Dnes vstupujeme do čtvrté fáze, v níž se musíme zaměřit na snižování cen, zabezpečení dodávek a hromadnou výrobu součástek s GaN, abychom podpořili všechna nová zařízení, která přicházejí na trh,“ řekl Marcon.

Jak je znázorněno na obrázku 1, přístup společnosti Innoscience k dosažení těchto výsledků spočíval nejprve ve využití velkých výrobních kapacit vybavených vysoce průchodnými technologickými zařízeními na výrobu křemíkových polovodičových součástek. Druhým prvkem v programu Innoscience bylo zvýšení počtu čipů na jednom waferu použitím většího formátu – průměr waferu se pohybuje od 6 do 8 palců –, snížení specifické odporu (což znamená menší zařízení) a nakonec zvýšení počtu využitelných čipů na waferu (výnos).

Obrázek 1: Přístup společnosti Innoscience k masové výrobě součástek s GaN a snížení jejich cen

"Náš první závod, se sídlem v Ču-chaji v Číně, je kvalifikovaným dodavatelem pro automobilový průmysl a již nyní je vybaven pro výrobu čtyř tisíc waferů za měsíc. Potom jsme vybudovali druhý závod se sídlem v Su-čou, který je 16krát větší než v Ču-chaji a je vybaven pro výrobu šesti tisíc waferů měsíčně, ale po plném dokončení bude moci vyrábět až 65 tisíc waferů každý měsíc. Všechny naše výrobní závody používají výrobní linky určené původně pro křemíkové wafery, aby využily dlouhou řadu inovací, které byly zavedeny pro optimalizaci zpracování křemíku,” řekl Marcon.

Pokud jde o samotné součástky GaN FET, společnost Innoscience byla schopna snížit měrný odpor R_DS(ON) (který umožňuje vyvíjet menší zařízení) a zavést to, čemu Innoscience říká „vrstva pro zvýšení napětí“, jež je deponována po vzniku hradla. Tímto způsobem byla společnost Innoscience schopna zvýšit hustotu 2D elektronového plynu (2DEG) a snížit tak jeho odpor, aniž by ovlivnila jiné parametry, jako je prahové napětí, zbytkový proud atd. Obrázek 2 ukazuje, že prahové napětí referenčního GaN (HEMT-A, černá barva) a prahové napětí součástky Innoscience s vrstvou pro zvýšení napětí (HEMT-B, modrá barva) jsou téměř stejné, zatímco odpor u druhé součástky je výrazně menší.

Obrázek 2: Snížení odporu vlivem začlenění vrstvy pro zvýšení napětí

Innoscience také vykonala značnou práci při optimalizaci výnosu jak při epitaxi, tak při zpracování součástek. Ukázalo se, že hodnota R_DS(ON) je homogenně rozložena na více než 10 000 čipech na waferu. Stejné je rozdělení hodnoty zbytkového proudu, která má velmi plochou křivku pouze s malou odchylkou na okraji waferu. Oba parametry vykazují vynikající reprodukovatelnost mezi jednotlivými wafery.

Pokud jde o konkrétní zařízení, jedním z největších úspěchů společnosti Innoscience je nabíječka USB Power Delivery, které bylo do dnešního dne dodáno více než 30 milionů kusů. InnoGaN^TM umožňuje konstruktérům dodávat větší výkon při menší velikosti, tj. zvýšit hustotu výkonu. Nabíječka PD s výkonem 45 W založená na GaN má až 95,1% účinnost při ztrátovém výkonu jen 2,5 W. Běžné nabíječky s obvody na bázi křemíku mají účinnost přibližně 88 % a ztrátový výkon 6,1 W. Součástky InnoGaN^TM mají 10x vyšší frekvenci, 4x vyšší hustotu výkonu a o 50 % vyšší energetickou účinnost než součástky na bázi křemíku.

Další relevantní aplikací jsou datová centra. Obrázek 3 ukazuje kroky potřebné k realizaci napájení v úrovních napětí požadovaných v datovém centru. První stupeň je převodník AC/DC, který v podstatě převádí vstup 277 V AC na 48 V DC a má jmenovitý výkon 3 kW. Po převodu na 48 V jsou nutné další konverze na 12 V DC nebo 5 V DC, přičemž jde o výkony 300 až 600 W. Poslední krok je převod z 12 nebo 5 V DC na 1 V DC. Ve všech těchto fázích umožňují součástky GaN zmenšit velikost převodníku a zvýšit jeho účinnost.

 Obrázek 3: Fáze převodu napájení v datovém centru

„U součástek s GaN můžeme při maximálním výstupním proudu dosáhnout snížení ztráty výkonu o 10 %. To znamená, že toto datové centrum můžete provozovat s 10% snížením nákladů na energii. Abychom to uvedli do perspektivy, znamená to, že pouhým přechodem na součástky s GaN můžeme do roku 2030 ušetřit 100 TWh elektřiny. Tato úspora energie odpovídá 20 jaderným reaktorům,“ řekl Marcon.

Jak již bylo zmíněno, výrobní závody společnosti Innoscience jsou certifikovány pro výrobu automobilových dílů a společnost Innoscience již v letošním roce spolupracuje s automobilovým zákazníkem na tom, aby byla připravena zařízení s certifikací pro automobilový průmysl. Automobilové aplikace GaN zahrnují měniče vysokého napětí DC-DC (650 V/950 V), měniče DC-DC 48 V/12 V, palubní nabíječky a snímače LiDAR. Ve srovnání s běžnými 100V křemíkovými tranzistory MOSFET mají 100V tranzistory InnoGaN^TM 13x větší rychlost spínání a 15x užší šířku pulzu. To například umožňuje návrhářům snímačů LiDAR na jednom čipu realizovat dva obvody, z nichž každý řídí laser nezávisle, což vede k levnější, menší a jednodušší řídicí jednotce snímače.

„Díky naší optimalizované technologii GaN, vhodné pro hromadnou výrobu, a použití vysoce výkonných zařízení pro výrobu křemíkových čipů dokážeme přesně splnit potřeby trhu a naším cílem je, aby zařízení založena na GaN byla všudypřítomná v co největším množství úloh,“ uzavřel Marcon.