Denis Marcon, general manager, prodej a marketing, Evropa a USA

Nitrid gallia (GaN) je mnohými považován za novinku. Přestože se GaN v současné době široce používá v nabíječkách a adaptérech pro mobilní telefony, jimž přináší výhody velké účinnosti a hustoty výkonu, další odvětví, jako jsou automobilový průmysl nebo výrobci datových center, ovladačů LED, zdrojů obnovitelné energie, spotřební audiotechniky či telefonních přístrojů teprve objevují, že vynikající spínací výkon GaN může být výhodný i pro ně. Samozřejmě že se již objevují první vlaštovky, ale před tím, než trh začne tento materiál hromadně používat, musí výrobci důkladně zvážit všechna komerční i technická hlediska. Společnost Innoscience, největší výrobce osmipalcových substrátových disků (waferů) GaNonSi, používá osvědčenou technologii, odolné kvalifikované procesy a hromadnou výrobu.

Společnost Innoscience byla založena v prosinci 2015 s cílem vytvořit největší výrobní společnost na světě, která se bude plně zaměřovat na technologii osmipalcových waferů GaN-on-Si. Vedoucí pracovníci společnosti Innoscience od samého počátku chápali, že pro materiál GaN, má-li se stát všudypřítomným na mnoha trzích, jsou výkon a spolehlivost – i když jsou životně důležité – pouze výchozím bodem. Zákazníci, než přijmou GaN za svůj, budou mít tři další klíčové požadavky. Za prvé, součástky využívající GaN musí být cenově dostupné, protože průmysl není ochoten platit horentní sumy. Za druhé, je nutná velká výrobní kapacita, aby bylo možné dodávat velké objemy součástek a vykryly se výkyvy v poptávce. Za třetí, zákazníci vyžadují zabezpečení dodávek, což jim umožňuje vyvíjet produkty a systémy s využitím nových součástek s GaN bez obav z možného přerušení výroby a jejich nedostatku.

Rozvoj technologie GaN se totiž časově shodoval s obdobím nejbrutálnějšího nedostatku čipů, jemuž kdy museli výrobci elektroniky čelit.

Společnost Innoscience proto pochopila, že požadavky elektronického průmyslu (cena, objem a bezpečnost dodávek) umožňuje splnit pouze důsledné zaměření na technologii osmipalcových waferů GaN-on-Si, dramatické rozšíření jejich výroby a controlling vlastních výrobních závodů.

Inovativní technologie

Než však budou rozptýleny uvedené obavy, musí se nejprve prokázat výkonnost a spolehlivost nové techniky. Podívejme se proto na technologii, kterou Innoscience vyvinula společně se svými spolehlivými mezinárodními partnery.

Konstruktéři výkonových polovodičových zařízení požadují součástky, které jsou přirozeně rozepnuté (normally-off) – to znamená, že když je na řídicí elektrodě tranzistoru 0 V, součástka nevede žádný proud. Vzhledem k tomu, že běžná forma tranzistorů GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) jsou tranzistory přirozeně sepnuté (tzv. režim ochuzení, depletion, d-mode), musí být pro realizaci přirozeně rozepnutých součástek použity speciální drivery v kaskodovém zapojení. Nicméně GaN HEMT od společnosti Innoscience jsou přirozeně rozepnuté (režim obohacování, enhancement, e-mode). Přirozeně rozepnutý režim je realizován depozicí vrstvy p-GaN na horní straně bariéry AlGaN, čímž se vytvoří Schottkyho kontakt s vrstvou p-GAN (obrázek 1). Tím se zvyšuje potenciál v kanálu v rovnováze, což vede k provozu v režimu přirozeně rozepnuto.

Obrázek 1: Vrstva p-GAN, která je vytvořena na horní straně bariéry AlGaN, vytváří Schottkyho kontakt s vrstvou p-GAN, což vede k provozu režimu přirozeně rozepnuto (e-mode)

Nízká hodnota měrného odporu R_DS(on)

Klíčovým parametrem pro definování výkonu součástky je měrný odpor v sepnutém stavu R_DS(on) vztažený na jednotku plochy. Čím nižší je hodnota R_DS(on), tím menší může být elektronická součástka, což umožňuje na jednom waferu vyrobit více součástek a snížit výrobní náklady na jeden kus.

Společnost Innoscience vyvinula patentovanou speciální technologii výroby vrstvy pro zvýšení mechanického napětí (strain enhancement layer), jejíž princip spočívá v depozici specifické vrstvy po vytvoření hradla. Modulace mechanického napětí vytvořená touto vrstvou vyvolává dodatečné piezoelektrické polarizace, které způsobí zvýšení hustoty 2D elektronového plynu (2DEG) a tím snížení plošného odporu o 66 %. Vzhledem k tomu, že vrstva pro zvýšení mechanického napětí je deponována až po vytvoření hradla, ovlivňuje pouze odpor v přístupové oblasti a nemá vliv na jiné parametry zařízení, jako jsou prahové napětí, zbytkový proud atd.

Obrázek 2: Společnost Innoscience vyvinula technologii vrstvy pro zvýšení mechanického napětí, která snižuje hodnotu R_DS(on)

Proto HEMT GaN-on-Si v režimu e-mode od společnosti Innoscience vykazují velmi nízký měrný odpor v sepnutém stavu. Protože společnost Innoscience optimalizovala jak technologii epitaxe, tak i technologii výroby součástek, (dynamický) odpor R_DS(on) se v celém rozsahu teplot a napětí nezvyšuje a vyhovuje pro spínání ve výkonových obvodech.

Obrázek 3: Součástky GaN od společnosti Innoscience nevykazují v celém rozsahu teplot a napětí žádný znatelný posun R_DS(on).

Vysoká propustnost, vysoká výtěžnost

Technologie křemíkových polovodičů je zavedena do sériové výroby již 50 let. Výrobci křemíkových součástek podporovaní výrobci strojů optimalizovali své výrobní procesy s ohledem na propustnost a kvalitu, aby využili každou dostupnou oblast křemíkových waferů a vyrobili co nejvíce čipů. Innoscience využívá všechny tyto zkušenosti a odborné znalosti. Společnost zpracovává 8mm wafery a jeho dva výrobní podniky jsou vybaveny nejnovějším zařízením, včetně skenerů ASML. Podobně jsou optimalizovány procesní toky. Vzhledem k tomu, že Innoscience je plně integrovaná společnost, která zavádí controlling pro všechny výrobní fáze od návrhu součástek přes EPI a zpracování waferů až po analýzu poruch a spolehlivosti – tj. celou výrobu GaN-on-Si –, dosahuje vysokého výnosu waferů i součástek. To také znamená, že nové výrobky mohou být navrženy a otestovány do 3 až 6 měsíců a být připraveny k hromadné výrobě během pouhých 6 měsíců.

V současné době vyrábí Innoscience každý měsíc více než 10 000 osmipalcových waferů GaN-on-Si; to se do roku 2025 zvýší na 70 000 waferů měsíčně. První výrobní závod Innoscience je již certifikován podle ISO 9001 stejně jako podle IATF 16949:2016 pro použití v automobilovém průmyslu a GaN HEMT jsou kvalifikovány podle normy JEDEC. Innoscience provádí rozsáhlé testy spolehlivosti svých součástek.

Sortiment produktů

Společnost Innoscience nabízí jedinečný sortiment součástek GaN pro nízká napětí (30–150 V) i vysoká napětí (do 650 V). Součástky GaN HEMT od Innoscience s názvem InnoGaN pro napětí od 30 do 150 V jsou k dispozici v pouzdrech CSP (Chip Scale Package) o rozměrech 2 × 2 mm až 2,2 × 3,2 mm s jmenovitým R_DS(on) jen 5,5 mΩ. Součástky pro napětí do 650 V v pouzdru DFN a WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Package) mají měrný odpor R_DS(on) typicky do 106 mΩ. Součástky Innoscience GaN HEMT se používají v nabíječkách USB-PD do 120 W a v konvertorech LLC. Je možné je najít také ve zdrojích datových center v rozváděčích. V blízké budoucnosti najdou uplatnění také v automobilovém průmyslu, včetně lidarů, palubních nabíječek (OBC), step-down měničů 48/12 V DC/DC nebo měničů vysokého napětí 650/900 V DC/DC. Součástky InnoGaN překonávají tradiční křemíkové FET ve světelných zdrojích LED. Obousměrná 40V součástka GaN HEMT od Innoscience je poprvé na světě použitá dokonce uvnitř chytrého telefonu, čímž se sníží velikost jednotky přepěťové ochrany (OVP) uvnitř systému správy baterie (BMS) nejméně o 50 %.

Závěr

Díky kombinaci špičkové techniky, nejmodernější technologie a největší výrobní kapacity osmipalcových waferů GAN-on-Si na světě reaguje společnost Innoscience na technické i obchodní výzvy a umožňuje konstruktérům pracujícím ve všech odvětvích využívat prokázané výhody výkonu bez snížení nákladů.