GaN: az ipar egyre jelentősebb „ütőkártyája”

Az elektronikai ipar máig legfontosabb alapanyaga, a szilícium sok mindenre jó, de a teljesítményelektronikai iparnak nem mindenben felel meg. Az elektronikus kapcsolók terén sokat várnak a „vegyes” félvezető kristályrácsok, a szilíciumkarbid (SiC) és a galliumnitrid (GaN) használatától. A cikk egy, a GaN bevezetésében elkötelezett cég bemutatkozása, amely folyamatos műszaki innovációval „megy elébe” a mérnökök fokozódó követelményeinek.

A GaN (gallium-nitrid) alapanyagú teljesítményelektronikai eszközök világpiaca minden jel szerint virágzik. Bármilyen kimutatásban is nézzük, a félvezetőiparnak ez a szegmense az évtized végére dollármilliárdokat ér majd. A Straits Research szerint például a világ GaN-erőforrásainak piaca 2030-ra eléri a 2,8 milliárd dollárt, szemben a 2021-es mindössze 178,2 millió dollárral, ami az előrejelzés időszakára (2022-2030) figyelemre méltó, 35,8%-os CAGR-t jelent (Compound Aggregate Growth Rate – a befektetés éves értéknövekedési üteme egy adott időszakra). Valójában, bár – különböző kulcsfontosságú piaci szereplőkre hivatkozva – sok ehhez hasonló előrejelzés van forgalomban, mi az Innoscience-nél úgy látjuk, hogy a GaN-alapú teljesítményelektronikai eszközök piaca 2025-ig lényegesen nagyobb lesz, mint azt bármely friss kutatás jelezte.
De mi is ennek a gyors növekedésnek a hajtóereje? Nos, röviden az energiaátalakítás magasabb hatásfoka, a nagyobb teljesítménysűrűség, a gyorsabb kapcsolási frekvencia, a kisebb méret és a teljes rendszerre vonatkoztatott anyagköltség (Bill of Material – BoM) alacsonyabb értéke.
Az elmúlt két évben számos piacvezető gyártó kidolgozta a saját GaN-technológiáját az okoskészülékek tápegységeihez és az akkumulátortöltőkhöz. Az Apple például azt állítja, hogy az asztali töltőkészülékei integrált GaN-technológiát tartalmaznak „a biztonságos és hatékony, nagy teljesítményű töltés felhasználói élménye érdekében”. Egy fali töltőjéről pedig így nyilatkozott az Apple: „A GaN-technológia növeli a töltés hatásfokát és gyorsaságát, így egy kis térfogatba sűrítve jókora teljesítményhez juthatunk”.

Előnyök iparágszerte

A fogyasztási cikkek gyorstöltőinek piaci szegmense (a GaN-alkalmazások élenjáró területe) mellett sok egyéb ipari szegmens is profitál azokból az előnyökből, amit a GaN-alapú teljesítmény­félvezetők kínálnak: nem utolsósorban az autóipar, az e-mobilitás eszközeinek gyártása, a repülés és az űrtechnika, valamint a védelmi ipar, a megújuló energia területén az adatközpontok, LED-meghajtók, lakossági audioberendezések, fejhallgatók, a nagyfeszültségű DC villamosenergia-átvitel és az okos energiahálózatok. Ezek a piacok egyre jobban odafigyelnek arra, hogy kihasználják a stabil működésű, kis méretű és nagy hatásfokú teljesítménykapcsoló rendszerekben rejlő potenciális kereskedelmi előnyöket.
Egy olyan területen például, mint az adatközpontok tápellátó rendszerei, a GaN alkalmazása megoldást kínálhat a nagy ASIC-csipek (Application Specific Integrated Circuit – alkalmazás­specifikus integrált céláramkör) tápellátásának szűk keresztmetszetére, és hatékonyan képes kielégíteni a GPU-k (Graphic Processing Unit – grafikus célprocesszor) nagy tápáramigényét. A GaN nagy kapcsolási frekvencián való alkalmazhatósága révén csökkenthető a tápegységek helyfoglalása, és ezzel elérhetővé válik a nagy teljesítménysűrűségű tápegységek megvalósítása.
Az újszerű járművekben a GaN kínál megoldást az olyan népszerű érzékelők megvalósítására, mint például a LIDAR (lézerfény visszaverődésén alapuló térletapogató érzékelő), amelyben a Si (szilícium) és a SiC (szilíciumkarbid) alapanyagok nem felelnek meg a nagy kapcsolási sebességre vonatkozó ipari követelményeknek.
A lehetőségeknek ezt a bőségét látva felvetődhet a kérdés, miért nem látjuk az alkalmazások számának szökőárszerű emelke­dését. Nos, mint az bármilyen bevezetés alatt álló technológiánál meg­figyelhető, olyan mérnöki és piaci követelményeknek kell megfelelni, mint a megbízható teljesítőképesség, a könnyű használatbavétel, a széles körű elérhetőség és az ellátás biztonsága és végül, de nem utolsósorban a versenyképes ár.

A piaci igények kielégítése

Az Innoscience cég 2015 végi megalapításának éppen az volt a központi szándéka, hogy a saját fejlesztésű InnoGaN™ technológiánk segítségével megbirkózhassunk ezekkel a nehézségekkel.
Ennek az innovációnak a középpontjában a teljesítőképesség áll, főként a feszültségnövelő rétegtechnológia (strain enhancement layer) révén, amely úgy valósul meg, hogy a kapuelektróda rétegrendszerének kialakítása után egy további réteget helyezünk el felette. A feszültségnövelő¹ réteg által keltett mechanikai igénybevétel modulációja egy piezoelektromos polarizációtöbbletet hoz létre. Ez a hatás a 2DEG² elektronsűrűség növekedését okozza, és ennek következtében a felületi ellenállás 66%-kal kisebb a feszültségnövelő réteggel nem rendelkező eszközökhöz képest. Az eredmény egy nagyon alacsony fajlagos bekapcsolási ellenállással (R_DS(on)) rendelkező struktúra (1. ábra). Ezenkívül azt is kimutatták, hogy az ilyen technológia jelentősen segíti a dinamikus R_DS(on) ellenőrzés alatt tartását.

1. ábra

Eddig már több millió ilyen eszközt szállítottunk ügyfeleinknek kereskedelmi célú GaN-alkalmazásokhoz visszaküldött tételek nélkül, amely arra utal, hogy az eszköz teljesítőképessége és megbízhatósága magából a működési elvből következik.
Természetszerűleg a GaN-struktúra alapállapotban (zérus vezérlőfeszültségnél) vezető (depletion, kiürítéses típusú) eszközt eredményez, de a rendszertechnikai és alkalmazástechnikai mérnökök jellemzően inkább az alapállapotban kikapcsolt (enhancement, növekményes üzemmódú) eszközöket részesítik előnyben. Ez kezdetben nehézségeket okozott a korai felhasználóknak a GaN-meghajtó áramkörök viszonylagos összetettsége miatt.
E probléma megoldására több út is kínálkozott, főként azzal, hogy egymásra épülő (kaszkód) áramköri megoldást alkalmaztak diszkrét alkatrészekből álló, vagy a kapcsolóeszközzel egybetokozott kivitelben. Ezek a megoldások viszont néhány korlátozást hoztak magukkal az árat és a tokozat méretét illetően. Az ilyen problémák megkerülésére itt az Innoscience-nél egy p-típusú GaN-réteget (p-GaN) növesztünk az AlGaN-gát tetejére (2. ábra), amely Schottky-kontaktust alkot a p-GaN-réteggel. Ez végeredményben alapállapotban kikapcsolt, növekményes üzemmódú működést tesz lehetővé.

2. ábra

Azonban már a kezdetek idején megértettük, hogy ezen áttörések ellenére a GaN-technológia szélesebb körű elfogadottságához a megbízható teljesítőképességnél és a könnyű használatnál többre van szükség. Három további probléma is felmerült, amelyeket meg kellett oldani.
Először is a mérnökök megfizethető GaN-technológiát kerestek. Az ipar egyszerűen nem volt hajlandó megvásárolni a felső kategóriás GaN-kapcsolóeszközöket. Igény merült fel egy nagy kapacitással rendelkező gyártóműre, amely egyszerre képes nagy mennyiségű végterméket kibocsátani, ugyanakkor alkalmazkodni tud a kereslet fluktuációjához is. A nagy tömegű elérhetőség valóban összhangban van a gyártás mennyiségéhez való gazdaságos alkalmazkodás és az alacsonyabb árak követelményeivel. Végül, de nem utolsósorban a mérnökök biztonságos ellátást is igényelnek ahhoz, hogy GaN-alapú végtermékeket fejleszthessenek anélkül, hogy a gyártás bármilyen okból való megszakadásától kelljen tartaniuk.
Tudtuk tehát, hogy csak a GaN-eszközök gyártásának drámai méretű felfuttatása és a saját gyártókapacitásaink feletti szoros ellenőrzés teszi lehetővé, hogy egyszerre felelhessünk meg az árakra, a mennyiségekre és az ellátás biztonságára irányuló követelményeknek.
Kezdettől fogva azt a stratégiát követtük, amely 8 inch átmérőjű szeletekből (waferekből) indul ki. Ez majdnem kétszerese annak a szeletenkénti darabszámnak, amelyet a 6 inches szeletekre alapuló gyártásból lehet kihozni. A koncepciónk része volt egy szilícium-kompatibilis gyártási folyamat megvalósítása is, ezért évekig tanulmányoztuk és optimalizáltuk a szilíciumtranzisztorok tömegtermelésének azokat a változatait, amelyek átvihetők voltak a GaN-hordozók megmunkálási folyamataira.
Az Innoscience mára a világ legnagyobb, 8 inch átmérőjű szilíciumhordozóra telepített GaN- (GaN-on-Si-) gyártási kapacitását birtokolja, amely jelenleg legfeljebb 10 ezer 8 inches szelet gyártására képes havonta. A kapacitásunkat 2025-ig 70 000 wafer/hónap értékre kívánjuk bővíteni. A kihozatalunk is igen magas, köszönhetően a legújabb gyártástechnológiáknak, amelyek a szilíciumeszközök gyártásában már bizonyították képességeiket.

3. ábra

Rendszerhatásfok

Természetesen van egy további, egyre növekvő fontosságú tényező is bármilyen XXI. századinak tekinthető mérnöki tevékenységben: a fenntarthatóság és az ipar válaszképessége a környezetvédelem kihívásaira.
A GaN egy eredendően energiahatékony technológia. Ha például egyetlen GaN-alapú adatközpontszekrényt hasonlítunk össze egy hagyományos megoldással, az előbbinek évente 8 tonnával kevesebb a CO₂-kibocsátása. Ez annál inkább tűnik kiemelkedő hozzájárulásnak a környezet védelméhez, ha tudjuk, hogy az adatközpontok a teljes energiafogyasztás 18%-áért felelősek. Ennek fontosságát még inkább kiemeli, ha arra gondolunk, milyen új alkalmazási forgatókönyvek gyors növekedésére kell számítanunk az adatiparban: ezek a mesterségesintelligencia-alkalmazások, a big data, az adatfeldolgozó központok, az elektromos meghajtású és/vagy autonóm vezetésre képes járművek, amelyek mindegyike külön-külön is a villamos energia iránti világméretű igény ugrásszerű növekedését hozza. Ahol pedig elektromos energia van jelen, ott jelen van az igény annak átalakítására is, amely még nagyobb növekedési ütemet követel a teljesítményelektronikai eszközök piacán. Ugyanakkor nemcsak az energiaveszteségek csökkentése iránt növekszik az igény, hanem az energiaátalakítás hatásfokának növelésére és az alkatrészek méretének csökkentésére is (amelynek célja ismét csak az energiaveszteség csökkentése).
A magas kapcsolási frekvencia, a kis értékű bekapcsolási ellenállás, a kis méret és a széles funkcióválaszték velejárója a nagyobb rendszerhatásfok, kisebb energiaveszteség, kompakt méret és a szilícium teljesítménykapcsolóknál még egyszerűbb rendszertervezés (4. ábra), amely végeredményben az alacsonyabb anyagköltségben is megnyilvánul.

4. ábra

Egyszerűen fogalmazva a GaN-csipek használata jelentősen növeli a teljesítőképességet és nagymértékben csökkenti az energiafogyasztást, és mindezt kisebb tokozatban, amely végeredményben a CO₂-emisszió csökkentésével és sokmillió dollárnyi energiaköltség-megtakarítással jár. Összességében ez egy olyan „win-win” játszma a környezet és a felhasználók között, amelynek csak nyertesei vannak.

Fordítsa anyagi haszonra a technológiát

Úgy gondoljuk, hogy ezekre a tényezőkre van szüksége az iparágnak ahhoz, hogy rendszereit integrált GaN-eszközökkel tegye kereskedelmileg sikeresebbé.
Cégünk halad tovább: megbízható ütemtervet dolgoztunk ki számos felmerülő alkalmazási követelmény figyelembevételével. Jelenlegi kis-, közép- és nagyfeszültségű eszközökből álló portfóliónk, valamint jövőbeli ütemtervünk egyre több tervezőmérnök érdeklődésével találkozik, akik szeretnék kihasználni a GaN-alapú energiaátalakítási megoldások előnyeit a kö­vetkező generációs készülékeikben, hogy ezzel versenyelőnyre tegyenek szert.

Készüljön fel a GaN tömeges bevezetésére!

Szerző: Denis Marcon – General Manager, Innoscience Europe

Jegyzetek

¹ A félreérthetőség elkerülése érdekében jelezzük, hogy a kifejezés magyar fordításában a „feszültség” szó ezúttal mechanikai igénybevételre (strain) utal. – A ford. megj.
² 2DEG: a részecskefizika „kétdimenziós elektrongáz” elvi modelljére utaló rövidítés. A modell szerint a szabad elektronokból álló, bizonyos szempontból gázszerűen viselkedő részecskesokaság két dimenzióban, tehát egy felület mentén szabadon elmozdulhat, míg a harmadik dimenzióban csak kvantált energiaskála mentén – azaz első közelítésben egyáltalán nem – mozoghat. – A ford. megj.

Innoscience Europe NV.
Philipssite 5 bus 1, 3001, Leuven, Belgium
Europe: Dr. Denis Marcon
Telephone: +32 471-138-822
Email: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.