Innoscience lleva la tecnología GaN a la siguiente fase

El nitruro de galio (GaN) es un material semiconductor con un amplio salto de banda que, comparado con el silicio, ofrece unas excelentes características y un magnífico rendimiento: alta eficiencia, alta velocidad de conmutación, excelente gestión térmica, pequeño tamaño y bajo peso. Para conseguir un elevado nivel de adopción de los dispositivos basados en GaN en las aplicaciones de potencia es necesario superar algunas barreras, principalmente las relativas a la fabricación a gran escala y la reducción de precios.

Durante la PowerUp Virtual Expo, que tuvo lugar en noviembre de 2021 y se dedicó por completo a los semiconductores con un amplio salto de banda (bandgap), Denis Marcon, Director General de Innoscience, ofreció una presentación acerca de este tema. Innoscience es una empresa líder cuya misión es facilitar el acceso a la tecnología GaN en el mercado, suministrando para ello los mejores dispositivos de su clase, finales y con el menor precio.

Según Marcon, la tecnología GaN está entrando en una nueva fase en la que existe la necesidad de proporcionar fabricación a gran escala y seguridad en el suministro con el fin de cubrir la demanda de las nuevas aplicaciones basadas en GaN que han ido surgiendo. Además, existe una fuerte necesidad de una significativa reducción de precios del GaN que permita a las personas disfrutar de esta tecnología sin pagar un extra por ella. Innoscience aborda estos requisitos al ser el mayor fabricante integrado de dispositivos (Integrated Device Manufacture, IDM) totalmente especializado en la tecnología GaN en el mundo. Innoscience posee la mayor capacidad de fabricación de obleas de GaN sobre Si de 8 pulgadas en el mundo. En la actualidad la compañía es capaz de suministrar 10.000 obleas al mes que aumentará hasta 14.000 obleas de 8 pulgadas al mes a finales de año y hasta 70.000 obleas al mes en 2025.

La tecnología GaN ha evolucionado de manera considerable en los últimos años. Hasta alrededor de 2010 las compañías se encontraban en plena fase de I+D probando esta innovadora tecnología. Durante la segunda fase, de 2010 a 2015, llegaron los primeros dispositivos al mercado. Esto representó un gran cambio que permitió a las personas comprar dispositivos de GaN y empezar a utilizarlos en proyectos reales. La fase 3 se inició alrededor de 2015, cuando los ingenieros de sistemas se dieron cuenta de que la introducción del GaN no sería sencilla. No podrían sustituir simplemente el silicio por GaN para obtener un sistema mejor, sino rediseñar su producto para aprovechar el mayor rendimiento del GaN.

“Hoy entramos en la fase 4, en la que tendremos que centrarnos en reducir el precio, garantizar el suministro y fabricar GaN a gran escala para las aplicaciones que están surgiendo”, declaró Marcon.

Como muestra la Figura 1, la estrategia de Innoscience para lograr estos resultados consistió primero en utilizar grandes capacidades de fabricación equipadas con un procesamiento de la fabricación de silicio de alto rendimiento. El segundo elemento dentro del plan de Innoscience pasó por incrementar el número de pastillas buenas de semiconductor por oblea, utilizando para ello una oblea más grande al pasar de 6 a 8 pulgadas, reduciendo la resistencia en conducción específica (lo cual significa que los dispositivos son más pequeños) y finalmente incrementando el número de pastillas buenas de semiconductor por oblea (yield).

“Nuestra primera fábrica, con sede en Zhuhai, está homologada para automoción y ya está equipada para producir 4.000 obleas al mes. Posteriormente construimos una segunda fábrica en Suzhou que es 16 más grande que la de Zhuhai y en la actualidad llega hasta 6.000 obleas al mes, si bien cuando esté finalizada llegará hasta 65.000 obleas al mes. Todas nuestras fábricas disponen de líneas de fabricación de silicio para aprovechar el largo historial de avances realizados para optimizar el procesamiento de la fabricación de silicio”, señaló Marcon.

Por lo que respecta a los FET de GaN, Innoscience ha sido capaz de reducir la resistencia en conducción (R_DS(on)) específica, que permite el desarrollo de dispositivos más pequeños, presentando para ello lo que Innoscience denomina “una capa de mejora de carga” que se deposita tras formar la puerta. Gracias a ello, Innoscience ha logrado incrementar la densidad del gas de electrones 2D (2DEG) y de este modo disminuir la resistencia de 2DEG que afecta a otros parámetros como la tensión de umbral, las fugas, etc. La Figura 2 muestra que las tensiones de umbral de un dispositivo de GaN (HEMT-A, negro) de referencia y un dispositivo de GaN de Innoscience con una capa de mejora de carga (HEMT-B, azul) son prácticamente las mismas, mientras que la resistencia en conducción del segundo dispositivo se ve reducida de modo significativo.

Innoscience también ha trabajado a fondo para optimizar el yield en la epitaxia, así como el procesamiento del dispositivo. Se ha demostrado que la R_DS(on) se distribuye uniformemente en más de 10.000 dispositivos de la oblea. Esto ocurre asimismo con la característica de fuga al corte, que tiene una curva muy plana con una desviación muy pequeña en el borde de la oblea. Ambos parámetros muestran un excelente grado de reproducibilidad entre obleas.

En cuanto a las aplicaciones, uno de los mayores éxitos de Innoscience es el cargador de alimentación por USB con más de 30 millones de dispositivos suministrados hasta la fecha. La tecnología InnoGaN^TM permite que los diseñadores aumenten el nivel de alimentación en un menor tamaño, incrementando así la densidad de potencia. Un cargador de 45W basado en GaN puede alcanzar una eficiencia del 95,1% con una pérdida de 2,5W, mientras que una solución basada en silicio ofrece una eficiencia del orden del 88% con una pérdida de 6,1W. Los dispositivos InnoGaN^TM multiplican la eficiencia por 10 y multiplican la densidad de potencia por 4, además de aumentar en un 50% la eficiencia energética respecto al silicio.

Otra aplicación destacable corresponde a los centros de datos. La Figura 3 indica los pasos necesarios para suministrar los niveles de tensión que requiere un centro de datos. La primera etapa consiste en un convertidor CA/CC que básicamente convierte la entrada de 277V_CA a 48V_CC y tiene una potencia nominal de 3kW. Tras pasar a 48V se precisa otra conversión para reducir los 48V_CC hasta 12V_CC o 5V_CC, y entonces hablamos de un convertidor de 300 a 600W. En el último paso la conversión es de 12V_CC o 5V_CC a 1V_CC. En todas estas etapas de conversión, el GaN permite disminuir el tamaño del convertidor e incrementar su eficiencia.

“Con el GaN, y para la corriente de salida máxima, somos capaces de lograr una reducción del 10% en las pérdidas de potencia. Esto significa reducir un 10% el coste de la energía necesaria para el funcionamiento del centro de datos. Para poner esto en perspectiva, significa ahorrar 100 TWh en 2030 tan solo cambiando de arquitectura: un ahorro de energía equivalente a 20 reactores nucleares”, declaró Marcon.

Como se ha señalado, las fábricas de Innoscience ya están certificadas para la producción de componentes de automoción e Innoscience está trabajando con un cliente de este sector para disponer de dispositivos homologados este año. Entre las aplicaciones del GaN en automoción se encuentran convertidores CC/CC de alta tensión (650V/950V), convertidores CC/CC de 48V/12V, cargadores a bordo y LiDAR. Si se comparan con los MOSFET convencionales de silicio de 100V, los dispositivos InnoGaN^TM de 100V multiplican por 13 la velocidad en conducción con una anchura de pulso 15 veces menor. Esto permite a los diseñadores integrar dos dispositivos en el mismo chip, cada uno de los cuales controla un láser de manera independiente. El resultado es una solución LiDAR más económica, pequeña y sencilla.

“Gracias a la tecnología GaN optimizada para fabricación a gran escala, y utilizando plantas de fabricación de silicio de alto rendimiento, cubrimos exactamente las necesidades del mercado y nuestro objetivo es lograr que las tecnologías GaN estén presentes en tantas aplicaciones como sea posible”, concluyó Marcon.