Galliumnitridi (GaN) on laajan kaistaeron (wide band gap) puolijohdemateriaali, joka tarjoaa perinteiseen piihin verrattuna monia etuja suorituskyvyn ja muiden ominaisuuksien osalta. Innoscience vie nyt GaN-tekniikan seuraavalle tasolle tuomalla markkinoille korkealaatuisia ja luotettavia laitteita kohtuulliseen hintaan.

Piihin verrattuna GaN tarjoaa korkean hyötysuhteen, suuren kytkentänopeuden, erinomaisen lämmönhallinnan, pienen sirukoon ja kevyen painon. GaN-pohjaisten laitteiden suurimittainen yleistyminen tehosovelluksissa edellyttää vielä kuitenkin eräiden rajoitteiden ratkaisemista liittyen lähinnä massatuotannon asettamiin haasteisiin ja kustannusten pienentämiseen.

Marraskuussa 2021 pidetyssä laajan kaistaeron puolijohteisiin erikoistuneessa PowerUp Virtual Expo -näyttelyssä Innosciencen toimitusjohtaja Denis Marcon luotasi puheessaan tekniikan nykytilaa. Innoscience on eturintamassa tekemässä GaN-teknologiasta laajasti käyttökelpoista tuomalla markkinoille korkealaatuisia ja luotettavia
laitteita kohtuulliseen hintaan.

Marconin mukaan GaN-teknologiassa ollaan astumassa uuteen vaiheeseen, jossa vaatimuksena on suuren volyymin tuotannon järjestäminen ja toimitusvarmuuden takaaminen kaikkien uusien markkinoille tulevien GaN-pohjaisten sovellusten tukemista varten. Toinen tärkeä pyrkimys on GaN-pohjaisten tuotteiden hinnan merkittävä alentaminen, jolloin teknologian tarjoamat edut saadaan laajemmin käyttöön ilman että siitä tarvitsee maksaa kovin paljon ylimääräistä.

Suurimpana kokonaan GaN-teknologiaan keskittyvänä integroitujen piirien valmistajana Innoscience on ollut hyvin aktiivinen, että nämä vaatimukset saadaan ratkaistua. Yhtiöllä on maailman suurin 8-tuumaisten GaN-on-Si-kiekkojen tuotantokapasiteetti. Viime syksynä yhtiön tuotantokapasiteetti oli 10 000 kiekkoa kuukaudessa, vuoden vaihteessa päästiin jo 14 000 kiekon tuotantoon kuukaudessa ja vuoteen 2025 mennessä on tarkoitus päästä 70 000 kiekon kuukausitoimituksiin.

GaN-teknologia on kehittynyt viime vuosina merkittävästi. Vielä kymmenisen vuotta sitten oltiin tuotekehityksessä tämän innovatiivisen teknologian testaus- ja kokeiluvaiheissa. Seuraavassa vaiheessa vuosina 2010-2015 ensimmäisiä tuotteita alettiin saada markkinoille, jolloin käyttäjillä oli ensi kertaa mahdollisuus ostaa GaN-piirejä ja ottaa niitä käyttöön todellisissa projekteissaan.

GaN VAATII UUSIA SUUNNITTELUJA

Kolmas vaihe alkoi vuonna 2015. Tuolloin järjestelmäsuunnittelijat totesivat, että GaN-piirejä ei voida suoraan liittää olemassa oleviin suunnitteluihin. Niillä ei voida suoraan korvata suunnittelussa piipohjaisia piirejä, jotta saataisiin käyttöön GaN:n tarjoamat suorituskyvyn edut, vaan se edellyttää tuotteiden uudelleen suunnittelua.

Nyt Marconin mukaan on vuorossa jälleen uusi vaihe, jossa pääpaino on kustannusten vähentämisessä, toimintavarmuuden parantamisessa ja GaN-massavalmistuksen mahdollistamisessa, jotta kaikkia uusia markkinoille tulevia sovelluksia pystytään tukemaan.

Innosciencen lähestymistapana mainittujen vaatimusten saavuttamiseksi oli ensinnäkin hyödyntää suurta valmistuskapasiteettia käyttämällä piipiirien massavalmistuksen tuotantoprosessin laitteistoja. Toisena osana Innosciencen ohjelmassa oli pyrkimys lisätä toimivien sirujen määrää kiekolla käyttämällä suuremman kokoista kiekkoa eli siirtymällä 6-tuumaisesta 8-tuumaiseen kiekkoon, vähentämällä ominaisresistanssia (mikä tarkoittaa pienempää piirikokoa) ja lopulta lisäämällä virheettömien sirujen lukumäärä kiekolla (saanto).

- Alkuperäinen Zhuhaissa sijaitseva piiritehdas täyttää autoelektroniikan tuotantovaatimukset ja siellä olevien laitteistojen valmiutena on valmistaa 4 000 kiekkoa kuukaudessa. Sen jälkeen Suzhou’in on rakennettu 16 kertaa Zhuhain tehdasta suurempi toinen tehdas, jonka laitteistojen kapasiteettia ollaan lisäämässä 6 000 kiekosta 65 000 kiekkoon kuukaudessa. Kaikkien Innosciencen tuotantolaitosten laitteistot perustuvat piipiirien valmistuksessa käytettäviin tuotantolinjoihin, joiden etuna on piipiirien valmistusprosesseista saadut optimoidut ratkaisut pitkän ajan kuluessa, Denis Marcon sanoo.

Mitä tulee itse GaN-FETteihin, on Innoscience pystynyt vähentämään piirien ominaisresistanssia R_DS(on) (mikä mahdollistaa kooltaan pienempien piirien tuotekehityksen) ottamalla käyttöön Innosciencen termejä käyttäen ’kuormitettavuutta lisäävän kerroksen’ (stress enhancement layer), joka kerrostetaan hilan muodostuksen jälkeen. Tällä tavoin Innoscience on voinut kasvattaa 2-D -elektronikaasutiheyttä (2DEG) ja sen seurauksen vähentää 2DEG-resistanssia ilman, että sillä on vaikutusta muihin parametreihin kuten kynnysjännitteeseen tai vuotovirtaan.

Innoscience on ottanut tehtäväkseen parantaa merkittävästi saantoa niin puolijohdekiekon kerrostamisen kuin piirin työstämisen osalta. R_DS(on) on saatu todistetusti tasaisesti jakautumaan kiekolla valmistettavien 10 000 piirisirun kesken. Samanlaista käyttäytymistä on toistettavasti voitu osoittaa off-tilan vuotovirran osalta, sillä ainoastaan kiekon reunoilla on nähtävissä pientä poikkeamaa muutoin tasaisessa matalassa käyrässä. Molemmat parametrit säilyvät erinomaisina kiekolta toiselle.

USB-LATURIN HYÖTYSUHDE UUDELLE TASOLLE

Sovelluksista puheen ollen yksi Innosciencen suurimmista menestyksistä on USB Power Delivery (PD) -laturi, joita on toimitettu markkinoille jo yli 30 miljoonaa kappaletta. InnoGaN-teknologiaa hyödyntämällä saadaan syötettyä paljon tehoa pienessä koossa, mikä nostaa tehotiheyttä. 45 W:n GaN-pohjainen PD-laturi yltää 95,1 prosentin hyötysuhteeseen 2,5 watin tehohäviöillä, kun vertailun vuoksi piipohjaisilla ratkaisuilla päästään noin 88 prosentin hyötysuhteeseen 6,1 watin häviöillä.

InnoGaN-piireillä on saavutettavissa kymmenen kertaa suurempi kytkentätaajuus, neljä kertaa suurempi tehotiheys ja 50 prosenttia piitä parempi energiatehokkuus.

10 PROSENTTIA
HÄVIÖISTÄ POIS

Palvelinkeskukset muodostavat toisen merkittävän sovellusalueen. Allaolevassa kuvassa on nähtävissä vaiheet palvelinkeskuksen tarvitsemien jännitetasojen syöttämisen toteuttamiseksi. Ensimmäisen vaiheen muodostaa AC-DC-muunnin, joka aluksi muuntaa 277 V:n vaihtojännitetulon 48 V:n tasajännitteeksi ja jonka nimellisteho on 3 kW. Kun muunnos 48 volttiin on tehty, on vuo-rossa jatkomuunnos 48 V:n tasajännitteestä 12 tai 5 V:n tasajännitteeksi ja tässä tapauksessa kyse on tehon muuntamisesta 300 watista 600 wattiin. Viimeisessä vaiheessa 12 tai 5 V:n tasajännite muunnetaan 1 V:n tasajännitteeksi. Kaikki nämä mainitut muunnosvaiheet voidaan GaN-teknologialla toteuttaa entistä pienikokoisemmilla ja tehokkaammilla muunninpiireillä.

Denis Marconin mukaan GaN-teknologia mahdollistaa sen, että suurimmalla lähtövirralla tehohäviöitä saadaan pienennyttyä 10 prosenttia. Tämä merkitsee 10 prosentin vähennystä palvelinkeskuksen energialaskuun. Käytännön tasolla tämä tarkoittaa, että vuoteen 2030 mennessä pelkästään ottamalla käyttöön tässä puheena oleva arkkitehtuuri on mahdollista säästää 100 TWh verran energiaa. Tämän suuruinen tehonsäästö vastaa 20 ydinreaktorin tuottamaa energiaa.

Kuten edellä jo mainittiin, Innosciencen tuotantolaitokset on jo sertifioitu autoelektroniikan komponenttien tuotantoa varten ja yhtiö työskentelee yhdessä autoelektroniikan asiakkaan kanssa, jotta kvalifioituja autoelektroniikan piirejä saadaan markkinoille tänä vuonna. Autoelektroniikan GaN-sovelluksia ovat esimerkiksi DC-DC-suurjännitemuuntimet (650 V/ 950 V), DC-DC-muuntimet (48 V/ 12 V), ajoneuvossa olevat laturit ja lidar-piirit.

Verrattuna perinteisiin 100 V:n pii-MOSFETteihin on 100 V:n InnoGaN-piirien kytkeytymisnopeus 13 kertaa nopeampi ja pulssinleveys 15 kertaa kapeampi. Tällöin on mahdollista asentaa kaksi piiriä samalle sirulle, joista kumpikin ohjaa laseria itsenäisesti halvemman, kooltaan pienemmän ja helppokäyttöisen lidar-ratkaisun toteuttamiseksi.

Denis Marconin mukaan hyödyntämällä massatuotantoon optimoitua GaN-teknologiaa ja toimivia piiprosessoinnin tuotantotiloja on mahdollista vastata markkinoiden kovaan kysyntään. Innosciencen tavoitteena on tehdä GaN-teknologiasta mahdollisimman monien sovellusten käyttöön soveltuva tehokomponenttien tekniikka.

Artikkeli on ilmestynyt tuoreessa ETNdigi 2/2022 -lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.

Toukokuun ajan voit myös osallistua kisaan, jossa voit äänestää lehden parasta artikkelia ja voittaa upean OnePlus Nord 2 -älypuhelimen. Lue lisää täällä.