GaN: asegurar el precio, el volumen y la seguridad del suministro

Por supuesto, hay pioneros, pero antes de que el mercado cambie en masa, tienen que estar seguros de que se han tenido en cuenta tanto los factores comerciales como las cuestiones de ingeniería. Innoscience, el mayor fabricante de dispositivos GaN-on-Si de 8 pulgadas, está abordando estas preocupaciones con una tecnología probada, procesos robustos y cualificados y una capacidad masiva.

Innoscience se fundó en diciembre de 2015 con el objetivo de crear la mayor empresa de fabricación del mundo totalmente centrada en la tecnología GaN-on-Si de 8 pulgadas. Desde el principio, los ejecutivos de Innoscience comprendieron que para que la tecnología GaN se convirtiera en omnipresente en muchos mercados, el rendimiento y la fiabilidad – aunque vitales – eran solo el punto de partida. Antes de que la tecnología GaN pudiera ser adoptada de forma generalizada, los clientes tendrían tres exigencias clave adicionales. En primer lugar, los dispositivos con tecnología GaN deben ser asequibles, ya que la industria no está dispuesta a pagar una gran prima. En segundo lugar, es necesaria una gran capacidad de fabricación para poder suministrar grandes volúmenes y absorber las fluctuaciones de la demanda. En tercer lugar, los clientes necesitan seguridad de suministro, que les permita desarrollar sus productos y sistemas con los nuevos dispositivos GaN sin preocuparse por posibles interrupciones de la producción y escasez.

Recordemos que la aparición del GaN ha coincidido con uno de los periodos más brutales de escasez de chips a nivel mundial que ha vivido la industria electrónica.

Por ello, Innoscience comprendió que sólo centrándose en la tecnología GaN-on-Si de 8 pulgadas, aumentando drásticamente la fabricación de dispositivos GaN-on-Si y controlando sus propias fábricas de producción, sería posible satisfacer las exigencias de la industria electrónica (precio, volumen y seguridad de suministro).

Pero al igual que el rendimiento y la fiabilidad deben probarse siempre antes que cualquier otra preocupación, veamos primero la tecnología que Innoscience ha desarrollado junto con sus socios internacionales de confianza.

Los ingenieros de semiconductores de potencia exigen dispositivos que muestren un funcionamiento normalmente apagado, es decir, que no conduzcan corriente cuando la puerta del transistor está a 0V. Dado que la forma natural de los HEMT de GaN (transistores de alta movilidad de electrones) es normalmente activada (el llamado modo de agotamiento o “depletion mode”), hay que colocar controladores especiales en un paquete de soluciones en cascada para conseguir el funcionamiento desactivado normalmente. Sin embargo, los HEMTs de GaN de Innoscience son dispositivos intrínsecamente de modo normalmente apagado (modo de potenciación – “enhancement”). El funcionamiento en modo normal se consigue haciendo crecer una capa de p-GaN sobre la barrera de AlGaN, formando un contacto Schottky con la capa de p-GaN (Figura 1). Esto aumenta el potencial en el canal en el equilibrio, lo que da lugar a un funcionamiento normalmente en modo apagado/e.

Un parámetro clave para definir el rendimiento del dispositivo es la RDS(on), específica, la resistencia de encendido por unidad de superficie. Cuanto más baja sea la RDS(on), específica, más pequeño será el dispositivo, lo que permitirá fabricar más dispositivos por oblea y reducir su coste.

Innoscience ha desarrollado una tecnología propia de capa de mejora de la tensión, que consiste en la deposición de una capa específica tras la definición de la pila de la puerta. La modulación de la tensión creada por la capa de mejora de la tensión induce polarizaciones piezoeléctricas adicionales que hacen que la densidad de 2DEG aumente reduciendo la resistencia de la lámina en un 66%. Dado que la capa de mejora de la tensión se deposita después de la formación de la puerta, sólo afecta a la resistencia en la región de acceso y no afecta a otros parámetros del dispositivo como el umbral y las fugas, etc.

Por lo tanto, los HEMT de modo electrónico de GaN sobre Si de Innoscience muestran una resistencia de encendido específica muy baja. Dado que Innoscience ha optimizado tanto la epitaxia como la tecnología de proceso del dispositivo, la RDS(on) (dinámica) no aumenta en todo el rango de temperatura y tensión, lo que lo hace idóneo para aplicaciones de conmutación de potencia.

La tecnología del silicio lleva 50 años produciéndose en masa. Los fabricantes de dispositivos de silicio, con el apoyo de los fabricantes de herramientas, han optimizado su proceso en términos de rendimiento y calidad con el fin de utilizar cada mm de superficie de oblea de silicio disponible y producir el mayor número de obleas posible. Innoscience aprovecha toda esta experiencia y conocimientos. La empresa está comprometida con el procesamiento de obleas de 8 pulgadas, y sus dos fábricas están equipadas con los equipos más modernos, incluidos los escáneres de ASML. Los flujos de proceso están igualmente optimizados. Dado que Innoscience es una empresa totalmente integrada, que controla todas las etapas de fabricación, desde el diseño del dispositivo, pasando por el EPI y el procesamiento de las obleas, hasta el análisis de fallos y fiabilidad, es decir, la producción completa de GaN-on-Si, la empresa consigue un alto rendimiento de las obleas y los dispositivos. También significa que los nuevos productos pueden diseñarse y probarse en un plazo de 3 a 6 meses y estar listos para la producción en masa en sólo 6 meses.

En la actualidad, Innoscience produce más de 10.000 obleas de GaN-on-Si de 8 pulgadas al mes; esta cifra aumentará hasta 70.000 obleas al mes en 2025. La primera fábrica de Innoscience ya está calificada según la norma ISO9001 y la certificación IATF 16949:2016 para uso en automoción, y los HEMT de GaN están calificados según la norma JEDEC, así como Innoscience realiza más pruebas de fiabilidad avanzadas para probar sus dispositivos.

De forma única para una empresa de GaN, Innoscience ofrece dispositivos que cubren el rango de baja (30-150V) y alta tensión (650V). Los HEMT de GaN de Innoscience (InnoGaN) están disponibles desde 30-150V en encapsulados a escala de chip (csp) que miden de 2x2mm a 2,2x3,2mm con RDS(on) de hasta 5,5mΩ (típico). Las piezas de 650V en DFN y escala de oblea presentan niveles de RDS(on) tan bajos como 106mΩ (típicos). Los HEMT de GaN de Innoscience se utilizan en cargadores USB-PD de hasta 120W y en convertidores LLC. Se encuentran en los racks de alimentación de los centros de datos. En un futuro próximo, se encontrarán en aplicaciones de automoción, como sistemas LiDAR, cargadores a bordo (OBC), convertidores reductores de 48-12V DC/DC y convertidores DC/DC de alta tensión de 650/900V. Las piezas InnoGaN de Innoscience superan a los FET de silicio tradicionales en la iluminación LED. Sorprendentemente, la pieza bidireccional de 40V de Innoscience es la primera vez en el mundo que los HEMT de GaN pueden utilizarse dentro de un smartphone, reduciendo el tamaño de la unidad de protección contra sobretensiones (OVP) dentro del sistema de gestión de la batería (BMS) en al menos un 50%.

Al combinar una tecnología de primera clase, una tecnología de procesamiento de vanguardia y la mayor capacidad de GaN-on-Si de 8 pulgadas del mundo, Innoscience está respondiendo a los retos de ingeniería y comerciales, permitiendo a los diseñadores que trabajan en todos los sectores del mercado beneficiarse de las ventajas de rendimiento probadas sin penalización de costes.

Innoscience comprendió que sólo centrándose en la tecnología GaN-on-Si de 8 pulgadas, aumentando drásticamente la fabricación de dispositivos GaN-on-Si y controlando sus propias fábricas de producción, sería posible satisfacer las exigencias de la industria electrónica (precio, volumen y seguridad de suministro)