Einstiegshürden für GaN meistern

Autor: Dr. Denis Marcon, Innoscience Europe

GaN bietet aus vielen Gründen Vorteile in Anwendungen. So gibt es keinen Sperrverzögerungsstrom, was einfachere Architekturen ermöglicht. Weitere Vorteile sind: Die Fähigkeit von GaN, bei einer höheren Frequenz als Silizium zu arbeiten, was den Einsatz kleinerer passiver Bauelemente ermöglicht. Der deutlich geringere spezifische Einschaltwiderstand macht GaN-Bauelemente kleiner, und die 10-mal bessere Leistungszahl/Güte (Ron x Qg) führt zu viel besseren Wirkungsgraden. Dies führt zu einer weiteren Verbreitung von GaN-Bauelementen in allen Anwendungsbereichen, einschließlich Consumer, Industrie, Automotive und erneuerbare Energien. Einfach ausgedrückt: GaN kann in jedem Leistungswandlersystem eingesetzt werden, um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, die Größe zu verringern, die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken.

GaN als überzeugendes Argument

Heute befindet sich der Markt für GaN im Aufschwung, und die meisten früheren Bedenken sind ausgeräumt. Dennoch hegen einige immer noch Zweifel, die eine Serieneinführung von GaN behindern – vor allem in Bezug auf den Preis und die Verfügbarkeit in großen Stückzahlen sowie die Angst vor Second Sourcing (Zweitbeschaffung). 

Der Smartphone-Markt veranschaulicht diese Punkte sehr gut. Mit mehr als 1 Mrd. verkaufter Geräte pro Jahr sind die Anbieter sehr daran interessiert, GaN in Mobiltelefone zu verbauen. Um dieses wünschenswerte Ergebnis zu erreichen, müssen vier Dinge geschehen. Erstens muss es einen klaren Vorteil geben. Außerdem muss das GaN-Bauteil den sehr geringen Gate-Leckstrom von Silizium nachbilden. Die Bauelemente müssen auch in großen Mengen verfügbar sein, nicht nur, um die Milliarde verkaufter Smartphones pro Jahr aufrechtzuerhalten, sondern auch, um die Fertigung schnell hochfahren zu können und dem 6-9-monatigen Rhythmus der Einführung neuer Modelle zu folgen. Schließlich müssen GaN-Bauteile zu einem wettbewerbsfähigen Preis angeboten werden.

Der der erste bidirektionale GaN-Baustein am Markt, der VGaN von Innoscience, bietet überzeugende Vorteile. Um den Strom in beide Richtungen zu blockieren, benötigt die Überspannungsschutzeinheit in einem Batteriemanagementsystem zwei Back-to-Back-Si-MOSFETs. Diese können durch einen einzigen VGaN-HEMT ersetzt werden (Bild 1), was eine um 50% kleinere und effizientere Lösung ergibt.
 

Ein Durchbruch bei Innoscience befasst sich mit der Spezifikation des Leckstroms. Das Oxid unter dem Gate eines Si-Bauelements blockiert den Gate-Leckstrom. Diese Oxidschicht ist jedoch bei GaN nicht vorhanden, und das Gate kann als zwei Back-to-Back-Dioden modelliert werden (Bild 2). Innoscience hat die Epitaxie, den Aufbau des Bauelements und die Verarbeitung optimiert, was zu einem fast 10-fach geringeren Leckstrom von <3 µA bei 85 °C über der Lebensdauer des Bauelements führt. Dies ist für Smartphone-Hersteller akzeptabel und stellt sicher, dass VGaN-HEMTs für den Einsatz als Lastschalter in ihren Geräten geeignet sind. 

Diese Neuerung verdeutlicht, dass die führenden GaN-Lieferanten auch Hersteller integrierter Bauelemente (IDM; Integrated Device Manufacturer) sein müssen, da Fabless-Unternehmen nicht über die Fertigkeiten verfügen, die Epitaxie, Architektur und Verarbeitung zu optimieren. 

Untersuchen wir den Preis und die Verfügbarkeit näher, wird deutlich, warum GaN trotz des wachsenden Wunsches von Kunden und Anbietern nicht auf dem Smartphone-Markt Fuß fassen konnte. Bei einer Marktdurchdringung von 10% der 1 Mrd. verkaufter Telefone im Jahr 2022 würde dies 100 Mio. GaN-Bauelementen pro Jahr entsprechen. Diese Zahl würde jeden Monat etwa 3000 8-Zoll- oder 5400 6-Zoll-Wafer erfordern. Laut den Marktforschern der Yole Group beläuft sich die weltweite Gesamtkapazität für GaN (ohne Innoscience) derzeit auf 16.000 6-Zoll-Wafer pro Monat (etwa 9000 8-Zoll-Wafer). Für diese eine Anwendung würden also 33% der weltweiten Kapazität benötigt.

Anders verhält es sich mit der Marktpräsenz von Innoscience, dem heute größten IDM, der sich zu 100% auf GaN konzentriert. Da das Unternehmen 8-Zoll-Wafer verwendet, kann es GaN kostengünstig in sehr großen Mengen liefern (d. h. im Vergleich zu einem 6-Zoll-Wafer kann man mit einem 8-Zoll-Wafer etwa 1,8-mal mehr Bauelemente pro Wafer herstellen). Bis 2025 wird Innoscience jeden Monat 70.000 8-Zoll-Wafer herstellen und damit die Produktion aller anderen Hersteller in den Schatten stellen.

Das Problem der Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeit ist entscheidend: Große Unternehmen wie Oppo würden GaN nicht in ihren Smartphones verwenden, wenn die Zuverlässigkeit in Frage stünde. JEDEC- und beschleunigte Lebensdauertests zeigen, dass die Ausfallrate von 10-ppm-Innoscience-Bauteilen im Gate-Beschleunigungsfaktor-Modus mehr als 20 Jahre beträgt (Bild 3). Für den Drain-Beschleunigungsfaktor übersteigt sie 10.000 Jahre.

Ein weiterer Faktor ist die Avalanche-Robustheit, ein wichtiges Leistungsmerkmal von Si-MOS-Bauelementen, die in der Regel durch einen UIS-Test (Unclamped Inductive Switching) gemessen wird. 

Beim Einschalten des Testbauteils wird die Induktivität mit einer linearen Rate aufgeladen. Nach Erreichen des erforderlichen Drain-Stroms führt das Ausschalten des Testbauteils dazu, dass die Induktivität ihre gespeicherte Energie abgibt und eine Durchbruchspannung erreicht. Die Avalanche-Fähigkeit des Testbauteils ermöglicht die Ableitung des Induktionsstroms und begrenzt somit jeden weiteren Spannungsanstieg. Das Testbauteil bleibt so lange im Durchbruch, bis die gesamte Energie abgeleitet wurde.

Die Ergebnisse eines solchen UIS-Tests lassen sich in Avalanche-Zeit und Avalanche-Energie übersetzen. Wenn das Leistungsbauelement keine Avalanche-Fähigkeit besitzt, muss es eine viel höhere Durchbruchspannung bieten, um eine vollständige Energieentladung der Induktivität zu ermöglichen. Dies ist bei InnoGaN-Bauelementen der Fall, bei denen die induktive Schaltleistung durch eine hohe U(BR)DSS (Drain-Source-Breakdown-Spannung) erreicht werden kann. Die Low-Voltage-/LV-GaN-Bauelemente von Innoscience bieten eine Durchbruchspannung, die mehr als doppelt so hoch ist wie die Nennleistung des Bauelements, so dass sie Spannungsspitzen sicher bewältigen und solche kritischen Tests erfolgreich bestehen.

Der Markt für Rechenzentren

Natürlich geht der Markt für GaN weit über intelligente Mobilgeräte hinaus. Nehmen wir zum Beispiel Rechenzentren – ein riesiger und wachsender Markt, der außerordentlich stromhungrig ist. Hier steht die Effizienz an erster Stelle, denn jede Steigerung um 0,1% führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Auch die Größe ist entscheidend, da kleinere Leistungswandler mehr Platz für Recheneinheiten schaffen, während große, verfügbare Produktkapazitäten und ein niedriger Preis ebenfalls entscheidend sind. 

Bild 4 beschreibt die Phasen der Leistungswandlung in einem Rechenzentrum, beginnend mit AC/DC. Bei einem normalen PFC- und LLC-Design auf der Primärseite werden in der Regel 650V-Bauteile eingesetzt, während auf der LV-Seite viele 100- und 30V-Bauteile zu finden sind, wenn es um Point-of-Load-/PoL-Wandler geht. Dies kann sich leicht auf etwa 80 LV-Leistungstransistoren für jede Implementierung summieren, die alle in großen Mengen und zu einem angemessenen Preis lieferbar sein müssen. 
 

Vier 3,2mΩ-100V-GaN-HEMTs INN100W032A von Innoscience in einem 600W-Vollbrücken-LLC-Design sorgen für einen Wandler, der nur ein Viertel so groß ist wie die entsprechende Si-Lösung. Dieser ist auch um 0,6% effizienter, was zu einer Einsparung von fast 10% des Energieverbrauchs und damit zu Kosten- und CO2-Einsparungen führt. 

Integrierte Lösung

Mit einer integrierten Lösung lassen sich die Abmessungen noch weiter verringern. Bild 5 zeigt eine komplette Halbbrückenschaltung. Der neue Baustein von Innoscience – SolidGaN ISG3201 – integriert zwei GaN-HEMTs in Halbbrückenkonfiguration, den Treiber und den Bootstrap-Kondensator in einem einzigen LGA-Gehäuse mit den Abmessungen 5 mm x 6,5 mm x 1,1 mm, wodurch sich die Größe um weitere 20% verringert.