Oavsett om det är hemelektronikprodukter, telekommunikationshårdvara, elbilar eller hushållsapparater ställs det nu höga krav på ingenjörer att förbättra omvandlarnas verkningsgrad, höja effekttätheten, förlänga batterilivslängden och snabba upp switchfrekvensen. Det bäddar för Galliumnitrid, anser Tim Kaske från ON Semiconductor.

Elektronikindustrin kommer att bli mer beroende av en ny typ av effekthalvledare som använder en processteknik som inte längre är kiselbaserad (Si). Med kapacitet att nå prestanda som inte var möjligt tidigare växer nu galliumnitrid (GaN) fram som en av de processtekniker som kommer att forma framtiden för effektelektronik.

Stor inverkan
Galliumnitrid har haft stor inverkan på flera branscher under det senaste decenniet. För optoelektronik har det varit avgörande för utvecklingen och spridningen av ljusstarka lysdioder (HBLEDs). I trådlös kommunikation används galliumnitrid i radioenheter med hög effekt såsom transistorer med hög elektronrörlighet (HEMT) och integrerade mikrovågskretsar (MMIC). Det finns nu en stor potential för bred användning av galliumnitrid i effektapplikationer. Branschanalytikern Yole Research förutspår att marknaden för GaN-effektkomponenter 2020 bör vara värt ca 600 miljoner USD per år.

För att Yoles bedömning av marknaden skall vara korrekt och en sådan nivå uppnås måste det till 100 % årlig tillväxt (compound annual growth rate, CAGR) under de kommande fem åren. Det finns dock fortfarande många utmaningar som ska tacklas innan det faktiskt kan hända. I denna artikel kommer vi att titta på vad som görs för att säkerställa bred användning av galliumnitrid.

Varför just nu?
Det finns flera orsaker som gör att galliumnitrid övervägs allvarligare nu än det gjorts tidigare. Effektkonstruktioner upplever större utrymmesbegränsningar. I till exempel hemelektroniksektorn blir kompakta laddare som används för bärbara produkter ständigt allt mindre. Likaså är rackarna i datacenter allt mer packade. Därav följer att effekttätheten måste ökas och att omvandlingseffektiviteten måste förbättras så att nödvändiga värmeavledningsmekanismer inte upp för stort utrymme. Detta har resulterat i ökade krav på effekt-MOSFET:ar att arbeta vid allt högre switchhastigheter.

De allra flesta av de nuvarande halvledarprocessteknikerna är beroende av kiselsubstrat. Sedan länge etablerade kiselprocesser har varit grunden för elektronikindustrin i många decennier nu. Även om det under denna period har varit en mer än tillräcklig metod för att utföra effektiv energiomvandling närmar sig snabbt den tid då den inte längre kommer att räcka till. Moores lag närmar sig sina fysiska gränser. Allt som kan förväntas i framtiden är små inkrementella förbättringar i kiselprocessen. Med tanke på att vi verkar vara förutbestämda att leva i ett allt mer energihungrigt samhälle måste alternativa halvledartekniker utredas.

Fig 1. Potentiella förbättringar i effekttäthet med GaN

Fördelar med GaN
Vad har då galliumnitrid för fördelar?

Kiseleffektenheter börjar nu nå ett stadium där stora prestandaförbättringar knappast kommer att äga rum. Den oundvikliga slutsatsen som kan dras av detta är att kisels förmåga att stödja ytterligare tekniska framsteg avtar. Det finns nu ett tydligt behov av något som faktiskt är omvälvande.

Såsom redan diskuterats måste effekthalvledare kunna leverera en kombination av:
1. Hög omvandlingsverkningsgrad,
2. Hög effekttäthet/kompakt format
3. Snabb switchfrekvens
4. Kostnadseffektivitet

Beroende på det specifika syftet med kretsen kommer vissa attribut i den här listan vara av större betydelse än andra. Galliumnitrid är mycket väl lämpad att uppfylla alla dessa kriterier – för några kan det göra det nu, medan det för andra i framtiden.

En viss mängd omvandlingsförluster finns i alla energisystemskonstruktioner men på grund av dess breda bandgap uppvisar galliumnitrid betydligt lägre förluster än kisel. Detta leder till betydligt bättre verkningsgrad vid omvandlingen. Eftersom en GaN-krets kan vara mindre än en motsvarande Si-krets kan enheter baserade på denna teknik placeras i mindre kapslar. På grund av dess höga mobilitet är galliumnitrid extremt effektivt när det används i kretsar som kräver höga switchhastigheter. Fig 2 visar den fysiska konstruktionen av en GaN HEMT-enhet och hur det liknar befintlig MOSFET-teknik. Det laterala elektronflödet i galliumnitrid ger både låga ledningsförluster (lågt ledningsmotstånd) och låga switchförluster. Ökad switchfrekvens sparar också utrymme eftersom färre passiva komponenter behöver användas och spolarna som används i de magnetiska komponenterna kan vara mycket mindre. Dessutom ger galliumnitrids högre omvandlingsverkningsgrad att mindre värme behöver avledas vilket minskar utrymmet som måste användas för värmehantering.

Fig 2. Likheter mellan GaN- och Si-tillverkningsprocesser

Varför dröjde det så länge?
Som vi har sett har galliumnitrid flera viktiga egenskaper som skiljer det från kisel och gör galliumnitrid särskilt väl lämpad för effekttillämpningar. Emellertid har utvecklingen av galliumnitrid som material för effekthantering gått långsamt tills nu. Liksom för andra halvledartekniker som utvecklats tidigare har det tagit tid för galliumnitrid att nå en mognad. Det är avgörande för alla chipteknologier att kunna erbjuda en hög grad av både enhetlighet och repeterbarhet och tidigare var detta något av ett problem för galliumnitrid. Som en följd av det låga utbytet med galliumnitridproduktion har kisel kunnat erbjuda betydande kostnadsfördelar vilket uppvägt prestandabristerna. Detta har gjort det möjligt för kisel att hålla fast vid sin dominerande ställning som effekthalvledare. Som nämnts förbättras tillverkningsprocesserna för galliumnitrid med bättre utbyte och högre tillförlitlighet hela tiden.

Galliumnitrid är i den avundsvärda positionen att den kan dra nytta av den tillverkningsinfrastruktur som redan finns på plats för kiselkretsar. Genom att bara tillsätta några enkla processteg med samma utrustning kan den tillämpas på befintliga 6-tums och 8-tums CMOS Si-tillverkningsprocesser och kan dessutom skalas till 12-tumsprocesser när volymkrav gör det nödvändigt.

Befintliga anläggningar
När vanlig CMOS Si-tillverkning går mot större skivstorlekar finns det en reell möjlighet för äldre Si-tillverkningsenheter (som annars skulle ha blivit överflödiga) att vara i drift längre. Det innebär att äldre produktionsanläggningar kommer att få ett andra liv genom att byta till galliumnitrid.

Genom pressa ner kostnaden på detta sätt kommer nya vägar att öppnas för galliumnitrid. Precis som det gjorde för Si-baserade kretsar under sent 60-tal och tidigt 70-tal kommer marknaden att öka – ökad efterfrågan på galliumnitrid leder till ökad produktionsvolym och lägre kostnad per enhet.

Under de närmaste åren kommer galliumnitrid inte längre att bara betraktas som en nischhalvledarteknik och bara produceras i laboratorier och mindre fabriker. Galliumnitrid kommer att etablera sig som en kommersiellt gångbar storskalig lösning med vilken komponenter kan tillverkas som kan landa på en prisnivå mer i linje med kisel. Sedan förra september har ON Semiconductor samarbetat med Transphorm med att föra ut GaN-teknik till marknaden. Genom att kombinera Transphorms oöverträffade kunskaper på GaN med ON Semiconductors kompetens, omfattande IP-portfölj och volymproduktionserfarenheter kommer de två företagen kunna marknadsföra effektkomponenter för nästa generation enheter.
Sammanfattningsvis ökar våra krav på kraft snabbare än befintliga halvledarteknologier klarar av och något måste göras för att åtgärda detta. När galliumnitrid appliceras på effektelektronikkonstruktioner är det möjligt att nå dramatiska prestandaförbättringar jämfört med vad kiselkomponenter kan åstadkomma. Resultat är att galliumnitrid säkert kommer att spela en stor roll i den nya eran av effektelektronik och ge ingenjörer komponenter som möjliggör ökad effektivitet, mindre storlek och högre switchfrekvenser. Tack vare stora förbättringar i teknik kommer det att vara möjligt att sänka kostnaderna för galliumnitridproduktion. Vi är därför nu i ett skede där det äntligen kan betraktas som en processteknik som är redo för volymproduktion.

Tim Kaske, Product Marketing Manager, ON Semiconductor

Filed under: Halvledarteknik