Il mercato del nitruro di gallio (GaN) per applicazioni di alimentazione sta crescendo molto rapidamente. È difficile capire esattamente quale sarà il ritmo di crescita, perché le condizioni cambiano continuamente. Quando analisti di tutto rispetto come Transparency Market Research prevedono che le vendite di dispositivi di potenza GaN supereranno la quota di 2,5 miliardi di dollari entro il 2031, con un tasso di crescita annuo (CAGR) del 40,3%, senza contare due delle realtà più grandi del settore, i dati devono essere maneggiati con cautela (crediamo che il mercato GaN supererà di molto quelle dimensioni già nel 2025).
Per quanto possa essere difficile mettere i numeri nero su bianco, la crescita è innegabile. Negli ultimi 18 mesi il GaN è emerso come tecnologia di riferimento per adattatori e caricatori intelligenti prodotti da marchi come Apple, Anker, OPPO e Xiaomi, che basano i loro nuovi caricatori sottili sul GaN grazie all’efficienza e alla potenza elevate dei commutatori GaN.
Questi stessi vantaggi (potenza ed efficienza maggiori, dimensioni inferiori) sono apprezzati anche in altri mercati. Settori come industria automobilistica, datacenter, driver per LED, energie rinnovabili, apparecchi audio e telefoni di largo consumo, hanno riconosciuto o cominciano a riconoscere che le prestazioni di commutazione superiori del GaN sono idonee anche per le loro applicazioni.
Ma, allora, perché non siamo ancora stati travolti da una marea di applicazioni GaN? In primo luogo, i dispositivi devono essere robusti e affidabili. In secondo luogo, devono essere semplici da usare. In terzo luogo, i dispositivi devono essere disponibili in grandi quantità per garantire l’affidabilità delle forniture, aspetto particolarmente critico con l’attuale carenza di semiconduttori. Infine, naturalmente (e probabilmente questa è la ragione principale per cui i clienti sono riluttanti ad accogliere nuove tecnologie), c’è il prezzo: il settore non è disposto a sostenere un sovrapprezzo elevato per la tecnologia GaN.
Innoscience è nata nel dicembre 2015 per gestire tutti questi aspetti. Partiamo da una constatazione inconfutabile: Innoscience dispone degli impianti più grandi al mondo per la produzione di wafer GaN-on-Si da 8 pollici. Torneremo su questo aspetto.
Innoscience ha sviluppato la tecnologia proprietaria InnoGaN. GaN è un processo intrinsecamente “normally-on”, ma gli ingegneri che sviluppano sistemi e applicazioni richiedono tecnologie “normally-off”. I primi utilizzatori hanno quindi avuti alcuni problemi legati alla maggiore complessità di controllo del GaN. Le aziende hanno risolto il problema in diversi modi, principalmente utilizzando un approccio di tipo cascode con un driver discreto o integrato nel package. Questi approcci offrono soluzioni interessanti al problema, ma hanno alcuni limiti in termini di costi e dimensioni del package. Innoscience sovrappone uno strato p-GaN alla barriera AlGaN, formando un contatto Schottky con lo strato p-GaN, che si traduce in un funzionamento normally-off.
La tecnologia InnoGaN di Innoscience offre un altro vantaggio importante: un valore RDS(on) molto basso. L’azienda ha sviluppato una tecnologia di miglioramento che consiste nel depositare uno strato di materiale specifico dopo la definizione del gate stack. La modulazione dello stress creata dallo strato di miglioramento induce polarizzazioni piezoelettriche aggiuntive; di conseguenza, la densità 2DEG (gas di elettroni bidimensionale) aumenta e la resistenza in conduzione diminuisce del 66% rispetto a un dispositivo senza strato di allentamento. Poiché lo strato è depositato dalla formazione del Gate, questo non va ad influire sulle tensioni di soglia o altri parametri del transistor. Grazie a questa innovazione, gli HEMT GaN-on-Si e-mode di Innoscience mostrano una resistenza specifica in stato di accensione molto bassa.
Dopo aver risolto le problematiche di prestazioni e facilità d’uso, Innoscience ha notato come ciò che impediva al GaN di diventare la tecnologia di commutazione di potenza predominante fossero i volumi. La disponibilità (o mancanza) di dispositivi è fonte di preoccupazione per l’affidabilità delle forniture; per contro, la disponibilità in grande quantità porta a economie di scala e prezzi inferiori. Per questo motivo, Innoscience ha deciso di puntare interamente sulla produzione di wafer da 8 pollici fin dalla sua nascita, mentre tutti gli altri produttori hanno scelto processi a 6 pollici o persino 4 pollici.
Oggi Innoscience ha una capacità di 10.000 wafer da 8 pollici al mese, che salirà a 14.000 wafer da 8 pollici al mese entro la fine dell’anno e a 70.000 wafer al mese entro il 2025. Anche la resa è elevatissima. Questo perché Innoscience utilizza la tecnologia di fabbricazione più avanzata, collaudata su dispositivi al silicio, oltre ad aver ottimizzato EPI e lavorazione dei wafer. Essendo un’azienda completamente integrata, che controlla tutte le fasi della produzione dalla progettazione dei dispositivi, passando per EPI e lavorazione dei wafer, fino all’analisi di guasti e affidabilità (quindi una produzione GaN-on-Si completa), l’azienda garantisce anche una qualità elevata.
La fab originale di Innoscience (alla quale ha fatto seguito una seconda già in funzione) è certificata secondo le norme ISO9001 e IATF 16949:2016 per il settore automobilistico, mentre gli HEMT GaN di Innoscience sono conformi allo standard JEDEC. Innoscience esegue inoltre test di affidabilità più avanzati dei tipici standard al fine di dare un dispositivo ancora piu’ affidabile ai loro clienti.
Riepilogando, Innoscience è entrata sul mercato con componenti GaN affidabili ad alte prestazioni per applicazioni sia in bassa tensione a 30-150V, sia in alta tensione a 650V. L’azienda, diversamente dal resto del mercato dei semiconduttori (e dell’elettronica in generale) non soffre di carenza di forniture (i prodotti sono disponibili in grande quantità) e i prezzi sono in linea con la domanda di mercato. Occhio alla valanga di applicazioni in arrivo!
Denis Marcon è General Manager Sales and Marketing Europe and USA, Innoscience.
