Galliumnitridi- eli GaN-kytkimet valtaavat tehosovelluksia korkean kytkentätaajuuden, alhaisen on-resistanssin ja pienen koon ansiosta. GaN tarjoaa järjestelmälle paremman hyötysuhteen, kompaktimman rakenteen ja yksinkertaisemman suunnittelun. Näin voidaan alentaa koko järjestelmän kustannuksia. Lisäksi käyttö vähentää CO2-päästöjä ja säästää valtavia rahamääriä energiankulutuksessa.

Galliumnitridiin perustuvien tehokomponenttien maailmanmarkkinat kukoistavat. Tarkastellaan mitä lukuja tahansa, GaN-markkinoiden arvo tulee kasvamaan miljardeihin dollareihin vuosikymmenen loppuun mennessä. Esimerkiksi Straits Researchin mukaan GaN-komponenttien maailmanmarkkinat yltävät 2,8 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, kun markkina-arvo vuonna 2021 oli vain 178,2 miljoonaa dollaria.

Tämä tarkoittaa huomattavan rajua 35,8 prosentin keskimääräistä kasvua vuosille 2022-2030. Vaikka samankaltaisia raportteja on tarjolla useita (markkinoiden eri toimijoihin viitaten), Innoscience-yhtiössä uskotaan, että GaN-tehokomponenttien markkinat ovat jo vuoteen 2025 mennessä kooltaan huomattavasti suuremmat kuin mikään viime aikojen markkinatutkimus ennustaa.

Mikä tämän nopean kasvun taustalla sitten on? Lyhyesti ilmaistuna parempi energiatehokkuus, suurempi tehotiheys, korkeammat kytkentätaajuudet, pienempi koko ja järjestelmän alhaisemmat materiaalikulut (BOM).

Viimeisten kahden vuoden aikana monet johtavat laitemerkit ovatkin jo valinneet GaN-tekniikan älylaitteidensa käyttämien sovittimien ja laturien perustaksi. Esimerkiksi Apple on ilmoittanut, että sen pöytälaturit käyttävät GaN-tekniikkaa "turvallisen ja tehokkaan latauskokemuksen saavuttamiseksi". Yhtiön mukaan laturien GaN-tekniikka kasvattaa merkittävästi lataustehoa ja -nopeutta, joten käyttäjä saa paljon tehoa kompaktissa paketissa.

Laaja-alaisia etuja

Kuluttajasektorille suunnattujen pikalaturien (GaN-sovellusten edelläkävijä) lisäksi GaN-tehokomponenttien tarjoamia etuja voivat hyödyntää monet muutkin teollisuusalat. Näitä ovat esimerkiksi autoteollisuus, sähköajoneuvot, ilmailu/puolustus, uusiutuva energia ja datakeskukset.

Otollisia sovelluskohteita voivat olla muun muassa lediohjaimet, kuluttajille suunnatut audiolaitteet, puhelinlaitteet, HVDC-tehomuuntimet ja älykkäät sähköverkot. Näiden alueiden markkinat ovat yhä tietoisempia siitä, että korkealla hyötysuhteella toimivien kompaktien kytkentäjärjestelmien vakaan toiminnan hyödyntämien voi tuoda huomattavia kaupallisia etuja.

Datakeskusten käyttämien teholähteiden kaltaisissa sovelluksissa GaN voi korjata suurten ASIC-piirien muodostamaa pullonkaulaa vastaamalla tehokkaasti GPU-yksiköiden kovaan tehontarpeeseen. GaN-tekniikan hyödyntämän korkean taajuuden ansiosta tehonsyöttöjärjestelmän vaatimaa pinta-alaa voidaan kutistaa ja tarjota suureen tehotiheyteen yltäviä syöttöratkaisuja.

Esimerkiksi uusia energiamuotoja hyödyntävissä ajoneuvoissa galliumnitridi on ratkaisu yhä suositumpiin LiDARin kaltaisiin anturijärjestelmiin, koska pii- ja piikarbidipohjaiset (Si, SiC) ratkaisut eivät täytä teollisuuden asettamia vaatimuksia suurten kytkentänopeuksien suhteen.

Koska potentiaalia on valtavan paljon, saattaa ihmetyttää, miksi GaN ei vielä ole käynnistänyt sovellusten todellista hyökyaaltoa. Kuten kaikissa nopeasti yleistyvissä tekniikoissa, tässäkin on voitettava sekä tekniikkaan että markkinoihin liittyviä haasteita: luotettava suorituskyky, helppokäyttöisyys, yleinen saatavuus/toimintavarmuus ja kilpailukykyinen hinta.

Vastaus markkinoiden tarpeisiin

Näiden ongelmien ratkaisemisesta tuli keskeinen syy Innoscience-yhtiön perustamiseen vuoden 2015 lopulla, pitkälti itse kehitetyn InnoGaN-teknologian pohjalta.

Tehokytkimen hyvä suorituskyky on tämän innovaation keskeinen etu jännitystä lisäävää kerrosta (strain layer) hyödyntävän tekniikan ansiosta. Siinä muodostetaan erityinen kerros sirulle hilapinon määrittelyn jälkeen. Jännitystä lisäävän kerroksen tuottama jännitysmodulaatio johtaa ylimääräisiin pietsosähköisiin polarisaatioihin.

Tämä efekti saa kaksiulotteisen elektronikaasun (2DEG) tiheyden kasvamaan ja sen seurauksena resistanssin vähenemään 66% verrattuna kytkinsiruun, jossa ei ole jännityskerrosta. Tuloksena on erittäin alhainen johtavan tilan resistanssi (RDS(on)). Lisäksi on osoitettu, että tällä tekniikalla voidaan merkittävästi helpottaa dynaamisen on-resistanssin hallintaa.

Innoscience on toimittanut jo miljoonia GaN-komponentteja erilaisiin kaupallisiin sovelluksiin ilman ainuttakaan palautusta asiakkailta komponentin sisäiseen suorituskykyyn tai luotettavuuteen liittyvien ongelmien vuoksi.

Luonteeltaan GaN on normaalitilassa johtava rakenne, kun taas järjestelmien suunnittelijat ja sovellusinsinöörit yleensä haluavat normaalisti off-tilassa olevaa toimintaa. Tämä on aiheuttanut tekniikan varhaisille soveltajille joitakin ongelmia, kun GaN-kytkimen ohjaaminen on osoittautunut hieman monimutkaisemmaksi.

Ratkaisu tähän ongelmaan on kuitenkin saatavissa useilla eri tavoilla, pääasiassa hyödyntämällä kaskodikytkentää erillisen tai samaan koteloon pakatun ohjaimen kanssa. Näissä ratkaisutavoissa on kuitenkin joitakin rajoituksia kustannusten ja kotelon koon suhteen.

Tällaisten ongelmien välttämiseksi Innoscience on kehittänyt menetelmän, jossa kasvatetaan p-GaN-kerros AlGaN-esteen päälle, joka muodostaa Schottky-kontaktin p-GaN-kerroksen kanssa. Tämän tuloksena saadaan normaalisti off/e-tilassa oleva toiminta.

Näistä teknisistä läpimurroista huolimatta yhtiössä on ymmärretty alusta alkaen, että GaN-teknologian laajempi käyttöönotto tehokomponenttien markkinoilla vaatii muutakin kuin vain luotettavaa suorituskykyä ja helppokäyttöisyyttä. On ratkaistava kolme muutakin ongelmatekijää.

Ensinnäkin suunnittelijat haluavat kustannuksiltaan edullista kytkentätekniikkaa. Teollisuudessa ei yksinkertaisesti olla halukkaita maksamaan kovaa hintaa GaN-komponenteista. Kysyntää on myös suurelle tuotantokapasiteetille, joka mahdollistaa suuret tuotantomäärät ja mukautumisen mihin tahansa tähän liittyviin vaihteluihin. Suuri volyymi ja hyvä saatavuus todellakin edistävät mittakaavaetuja ja hintojen laskua. Lisäksi suunnittelijat kaipaavat toimitusvarmuutta, jotta GaN-pohjaisia tuotteita ja järjestelmiä voidaan kehittää vailla huolta valmistuksen mahdollisesta keskeytyksestä.

Yhtiössä on tiedostettu, että ainoastaan lisäämällä dramaattisesti GaN-komponenttien tuotantomäärää ja hallitsemalla omia tuotantolinjoja on mahdollista vastata hintaan, määrään ja toimitusvarmuuteen liittyviin vaatimuksiin.

Strategiana on ollut alusta alkaen keskittyä 8-tuumaisten kiekkojen valmistukseen, mikä takaa lähes kaksinkertaisen sirumäärän kiekkoa kohti verrattuna kuusituumaisiin kiekkoihin. Samalla on myös kehitetty piin kanssa yhteensopivaa prosessia siten, että vuosien optimointi ja oppiminen piitransistorien massatuotannosta oli siirrettävissä GaN-kiekkojen tuotantoon.

Innosciencella on nykyään maailman suurimmat 8 tuuman GaN-on-Si-kiekkojen tuotantolinjat, jotka tarjoavat tällä hetkellä jopa 10 000 kiekon kapasiteetin kuukaudessa. Tätä määrää on tarkoitus kasvattaa 70 000 kiekkoon vuoteen 2025 mennessä. Tuotannon saanto on myös erittäin korkeaa tasoa uusimpien valmistustekniikoiden ansiosta, joiden laatu on aiemmin varmistettu piikomponenttien tuotannossa.

Järjestelmätason hyötysuhde

Tietysti jokaisessa tämän vuosituhannen tekniikkaan liittyvässä yhtälössä on mukana vielä yksi yhä tärkeämpi tekijä: kestävä kehitys ja teollisuuden vastuu ympäristönsuojelusta.

GaN on luonnostaan energiatehokas tekniikka. Esimerkiksi yhden palvelinkeskuskaapin vuotuinen tehonsäästö GaN-tekniikan avulla vastaa noin kahdeksan tonnin hiilidioksidipäästöjen vähennystä. Tämä on erinomainen parannus, kun muistetaan, että datakeskusten osuus energian kokonaiskulutuksesta on 18 prosenttia.

Tämän teknologian tärkeys korostuu, kun ajatellaan monien uusien sovellusskenaarioiden syntymistä: tekoäly, big data, laskentakeskukset, sähköajoneuvot, autonominen ajaminen jne. Nämä kaikki johtavat sähkön kysynnän dramaattiseen kasvuun maailmanlaajuisesti.

Ja siellä missä on sähköä, tarvitaan aina tehon muuntamista, mikä kasvattaa entisestään tehokomponenttien tarvetta. Vaatimuspuolella taas on muuntoprosessin tehohäviöiden vähentämisen lisäksi koko järjestelmän hyötysuhteen parantaminen ja komponenttien koon pienentäminen (tehohäviöiden vähentämiseksi edelleen).

Korkean kytkentätaajuuden, alhaisen on-resistanssin, pienen koon ja lukuisten toimintamuotojen tarjoamat edut tarkoittavat, että GaN-tehokomponentit tarjoavat koko järjestelmälle paremman hyötysuhteen, alhaisemmat tehohäviöt, kompaktimman rakenteen ja yksinkertaisemman suunnittelun verrattuna piipohjaisiin tehokytkimiin. Näin on mahdollista alentaa koko järjestelmän materiaalikustannuksia.

Pelkistetysti ilmaistuna GaN-sirut tarjoavat aiempaa huomattavasti paremman suorituskyvyn ja vähentävät merkittävästi energiankulutusta entistä pienempiin koteloihin pakattuina. Tämä helpottaa CO2-päästöjen vähentämistä ja säästää myös valtavia rahamääriä energiankulutuksessa. Tämä hyödyttää sekä ympäristöä että käyttäjiä.

Teknologiaa rahaksi

Innosciencen edustajat uskovat, että teollisuus tarvitsee juuri näitä tekijöitä voidakseen kaupallistaa järjestelmiään, joissa hyödynnetään integroituja GaN-komponentteja.

Jatkoa varten yhtiö on laatinut vankan suunnitelman, joka vastaa useiden nousevien sovellusalueiden asettamiin vaatimuksiin. Nykyinen laaja LV-, MV- ja HV-tuotteiden valikoma sekä tulevaisuuden etenemissuunnitelmat vastaavat yhä laajemmin niiden suunnittelijoiden vaatimuksiin, jotka haluavat hyödyntää GaN-tehoratkaisujen parhaita puolia seuraavan sukupolven laitteissaan ja lähteä mukaan kisaan.

Tulevaisuuden massiiviseen GaN-tekniikan käyttöön kannattaa valmistautua jo nyt!