Il nitruro di gallio (GaN) è ancora considerato da molti una tecnologia nuova. Sebbene il GaN sia ora ampiamente utilizzato nei caricabatterie e negli adattatori per telefoni cellulari, con vantaggi in termini di efficienza e densità di potenza, altri settori, come quelli automotive, dei data center, dei driver LED, delle energie rinnovabili, dell’audio consumer e dei telefoni cellulari, stanno scoprendo solo ora che le prestazioni di commutazione superiori del GaN sono ideali anche per le loro applicazioni. Naturalmente ci sono gli early adopter, ma prima che il mercato passi in massa a questa tecnologia, occorre essere sicuri di aver preso in considerazione anche i fattori commerciali e gli aspetti ingegneristici. Innoscience, il più grande produttore di dispositivi su wafer al GaN-on-Si da 8 pollici, sta affrontando questi aspetti con una tecnologia collaudata, processi robusti e qualificati e una capacità produttiva su larga scala.
Innoscience è stata fondata nel Dicembre 2015 con l’obiettivo di creare la più grande azienda manifatturiera del mondo completamente focalizzata sulla tecnologia GaN-on-Si da 8 pollici. Fin dall’inizio, i dirigenti di Innoscience hanno capito che per rendere la tecnologia GaN onnipresente in molti mercati le prestazioni e l’affidabilità, sebbene vitali, erano solo il punto di partenza. Prima di poter adottare ampiamente la tecnologia GaN, occorre considerare tre esigenze chiave dei clienti. Innanzitutto, i dispositivi al GaN devono essere convenienti, in quanto l’industria non è disposta a pagare un prezzo di molto superiore. In secondo luogo, è necessaria una considerevole capacità produttiva per fornire grandi volumi e assorbire le fluttuazioni della domanda. In terzo luogo, i clienti richiedono la sicurezza dell’approvvigionamento, che consente loro di sviluppare prodotti e sistemi utilizzando i nuovi dispositivi al GaN senza preoccuparsi di possibili interruzioni e carenze di fornitura.
Bisogna tener presente che l’emergere del GaN è coinciso con uno dei periodi di carenza globale di chip più severa mai sperimentati dall’industria elettronica.
Pertanto, Innoscience ha capito che sarebbe stato possibile soddisfare i requisiti dell’industria elettronica (prezzo, volume e sicurezza dell’approvvigionamento) solo concentrandosi sulla tecnologia GaN-on-Si da 8 pollici, aumentando notevolmente la produzione di dispositivi al GaN-on-Si e controllando i propri stabilimenti produttivi.
Una tecnologia innovativa
Dovendo verificare le prestazioni e l’affidabilità prima di qualsiasi altro aspetto, diamo prima un’occhiata alla tecnologia che Innoscience ha sviluppato insieme ai propri partner internazionali di fiducia.
I progettisti di semiconduttori di potenza richiedono dispositivi che presentano un funzionamento normalmente spento, ovvero nessuna conduzione di corrente quando il gate del transistor è impostato su 0V. Poiché la forma naturale degli HEMT (High Electron Mobility Transistors) al GaN è normalmente accesa (la cosiddetta modalità a svuotamento), per ottenere un funzionamento normalmente spento occorre collocare dei driver particolari nei package dei dispositivi in configurazione cascode. Per contro, gli HEMT al GaN di Innoscience sono dispositivi intrinsecamente normalmente spenti (modalità ad arricchimento). Il funzionamento normalmente spento si ottiene facendo crescere uno strato di p-GaN sopra la barriera AlGaN, formando un contatto Schottky con lo strato p-GaN (Figura 1). Ciò aumenta il potenziale nel canale all’equilibrio, consentendo di ottenere un funzionamento normalmente spento in modalità ad arricchimento.
Figura 1: Uno strato di P-GaN, cresciuto sopra la barriera AlGaN, forma un contatto Schottky con lo strato P-GaN con conseguente funzionamento normalmente spento in modalità ad arricchimento.
Bassa RDS(on) specifica
Un parametro chiave per definire le prestazioni del dispositivo è la RDS (on) specifica, ossia la resistenza nello stato on per unità di area. Più basso è il valore specifico di RDS(on), più piccolo può essere il dispositivo realizzato, e ciò consente di ottenere più dispositivi per wafer e un costo del dispositivo inferiore.
Innoscience ha sviluppato una tecnologia proprietaria chiamata “strain enhancement layer”, che consiste nella deposizione di uno strato di materiale specifico dopo la definizione del gate. La modulazione dello stress creata dalla deposizione di questo materiale induce ulteriori polarizzazioni piezoelettriche che fanno aumentare la densità del gas di elettroni bidimensionali (2DEG) riducendo la resistenza dello strato del 66%. Poiché lo “strain enhancement layer” viene depositato dopo la formazione del gate, esso influisce solo sulla resistenza nella regione di accesso e non impatta su altri parametri del dispositivo come la tensione di soglia e le perdite ecc.
Figura 2: Innoscience ha sviluppato una tecnologia di strato di deformazione ad arricchimento che consente di ottenere bassi valori di RDS(on).
Pertanto, gli HEMT al GaN-on-Si in modalità ad arricchimento di Innoscience presentano una resistenza specifica nello stato On molto bassa. Avendo Innoscience ottimizzato sia l’epitassia che la tecnologia di processo del dispositivo, l’RDS(on) (dinamica) non aumenta nell’intero intervallo di temperature e tensioni, e ciò rende la tecnologia adatta alle applicazioni di commutazione di potenza.
Figura 3: I dispositivi al GaN di Innoscience non mostrano alcuna deriva apprezzabile della RDS(on) nell’intero intervallo di temperature e tensioni.
Alta produttività, alte rese
La tecnologia su silicio è in produzione in volumi da 50 anni. I produttori di dispositivi su silicio, supportati dai produttori di apparecchiature, hanno ottimizzato il processo in termini di produttività e qualità per poter utilizzare ogni millimetro di superficie disponibile sul wafer di silicio e per produrre il maggior numero possibile di wafer all’ora. Innoscience sta sfruttando tutta questa esperienza e competenza. L’azienda è impegnata nella lavorazione di GaN-on-Si wafer da 8 pollici e i suoi due stabilimenti produttivi sono dotati delle più moderne apparecchiature, inclusi gli scanner litografici di ASML. I processi sono ugualmente ottimizzati. Essendo Innoscience un’azienda completamente integrata che controlla tutte le fasi di produzione, dalla progettazione dei dispositivi, dall’epitassia, alla lavorazione dei wafer, all’analisi dei guasti e dell’affidabilità, ovvero la produzione completa di dispositivi GaN-on-Si, l’azienda ottiene una resa elevata sia dei wafer che dei dispositivi. Ciò significa anche che i nuovi prodotti possono essere progettati e testati nel giro di 3-6 mesi ed essere pronti per la produzione in volumi in appena 6 mesi.
Oggi, Innoscience produce ogni mese più di 10.000 wafer al Gan-on-Si da 8 pollici; la capacità produttiva aumenterà fino a 70.000 wafer al mese entro il 2025. Il primo stabilimento Innoscience è già qualificato secondo lo standard ISO9001 e la certificazione IATF 16949:2016 per uso automotive. Gli HEMT al GaN sono qualificati secondo lo standard JEDEC e Innoscience esegue i test di affidabilità più avanzati per collaudare i propri dispositivi.
Un mix di prodotti
Innoscience è l’unica azienda produttrice di GaN ad offrire dispositivi che coprono l’intervallo delle basse (30-150V) e alte tensioni (650V). Gli HEMT al GaN (InnoGan) di Innoscience sono disponibili con tensioni da 30-150V in package CSP (Chip Scale) che misurano da 2x2mm a 2,2×3,2mm con RDS(on) fino a 5,5mΩ (tipica). Le componenti da 650V in package DFN e wafer scale presentano valori di RDS(on) fino a 106mΩ (tipici). Gli HEMT al GaN di Innoscience vengono utilizzati nei caricabatterie USB-PD fino a 120W e nei convertitori LLC. Si trovano anche all’interno degli armadi di alimentazione dei data center. Nel prossimo futuro, troveranno impiego all’interno di applicazioni automotive tra cui i sistemi LiDAR, i caricabatterie di bordo (OBC), i convertitori step-down DC/DC da 48-12V e i convertitori DC/DC ad alta tensione da 650/900V. I componenti InnoGAN di Innoscience superano le prestazioni dei tradizionali FET su silicio nelle soluzioni di illuminazione a LED. Sorprendentemente, il dispositivo bidirezionale da 40V di Innoscience costituisce il primo esempio al mondo di utilizzo degli HEMT al GaN all’interno di uno smartphone, con una riduzione di almeno il 50% delle dimensioni dell’unità di protezione dalle sovratensioni (OVP) all’interno del sistema di gestione della batteria (BMS).
Conclusioni
Combinando una tecnologia di prim’ordine, un processo produttivo all’avanguardia e la più grande capacità di fabbricazione di wafer al GaN-on-Si da 8 pollici al mondo, Innoscience risponde alle sfide sia ingegneristiche che commerciali e consente ai progettisti che operano in tutti i settori di mercato di beneficiare dei comprovati vantaggi di prestazioni senza penalizzazioni sui costi.
Denis Marcon è Direttore Generale Vendite e Marketing per l’Europa e gli Stati Uniti di Innoscience.
