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Stories of Manufacturing#06
GaN ebnet den
Weg zur CO2-NeutralitätEntwicklung von GaN-Leistungshalbleitern
der nächsten Generation
Eine neue Phase in der Entwicklung von GaN-Bauelementen
Dezember 2023 - Die Preisverleihung für die "Ultra Manufacturing Components Awards" fand in Tokio statt.
Der Award wird gesponsert von Monozukuri Nippon Kaigi und Nikkan Kogyo Shimbun. Der Preis wurde 2023 zum 20. Mal verliehen und zeichnete einmal mehr Komponenten und Materialien aus, die zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der japanischen Fertigungsindustrie sowie zur Entwicklung von Industrie und Gesellschaft beitragen.
Die GaN Produktserie EcoGaN™ von ROHM, die wesentlichen Anteil an der Energieeinsparung und Miniaturisierung von Anwendungen hat, erhielt den "Electrical/Electronic Component Award", eine von sechs Produktauszeichnungen.
ROHM engagierte sich schon früh in der Entwicklung von GaN-Bauelementen, die in den letzten Jahren weltweit zunehmend Aufmerksamkeit erhalten haben. Die Anerkennung des technologischen Knowhows und der Produktentwicklungsstrategie von ROHM ist nicht nur eine erfreuliche Nachricht für die Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen der Abteilung Power Stage Product Development, die sich noch in der Anfangsphase ihrer Tätigkeit befindet. Vielmehr war die Auszeichnung auch ein Signal dafür, dass die über viele Jahre hinweg andauernde Forschung und Entwicklung endlich die nächste Stufe erreicht hat.
Bei der Verleihung der "Ultra Manufacturing Component Awards" ▲
◀▲ EcoGaN™ Produktserie
Oben: GaN HEMT Power Stage IC Unten: GaN Gate-Treiber-IC
Angeregt durch Kundenfeedback
Die Auszeichnung wurde nicht nur für ein einzelnes GaN-Bauelement verliehen, sondern für die gesamte Produktlinie, einschließlich der Gate-Treiber-ICs, die die Leistung von GaN maximieren.
Laut Hirotaka Otake, der seit mehr als 15 Jahren an der GaN-Entwicklung beteiligt ist, bestätigt die Bedeutung von GaN als Bauelement der nächsten Generation.
Abteilung Power Stage Product Development , LSI Business Unit Manager
Hirotaka Otake
Die positive Resonanz unserer Kunden hat uns darin bestätigt, dass GaN großes Potential hat. Tatsächlich habe ich den Stellenwert von GaN bereits während meines Studiums erkannt als ich mich mit den Lichtemissionseigenschaften dieses Halbleiters beschäftigt habe. Nach meinem Einstieg bei ROHM habe ich dann sowohl an GaN- als auch an SiC-Leistungsbauelementen gearbeitet. Die umfangreichen Erfahrungen, die ich in der Forschung und Entwicklung von Bauelementen, Gehäusen und Anwendungen gesammelt habe, haben sich bei der Entstehung neuer Unternehmensbereiche als sehr nützlich erwiesen.
Viele Kunden, die noch nicht bereit waren, GaN Bauteile für ihre Produkte zu verwenden, äußerten ihre Bedenken hinsichtlich der Benutzerfreundlichkeit der Bauteile. Dies beinhaltete die Verfügbarkeit steuerseitiger Treiber, verschiedener Gehäusetypen und sogar eine Modularisierung, die Treiber-ICs einschließt.
Das Kundenfeedback zeigt eine klare Nachfrage nach einer Lösung, die treiberbezogene Herausforderungen adressiert und eine
Modularisierung der Treiber-ICs einschließt.
Hirotaka Otake:
„GaN-Bauteile sind tatsächlich extrem schwierig zu handhaben, insbesondere im Hinblick auf die Ansteuerung. Darüber herrscht in der Branche inzwischen so etwas wie Konsens. Obwohl die Schalteigenschaften von GaN bei hohen Frequenzen ein enormer Vorteil sind, gibt es eine Grenze für das Erreichbare, wenn man sich ausschließlich auf die Eigenschaften von Leistungsbauelementen konzentriert, um Leistungsquellen im 1-MHz-Bereich und darüber hinaus stabil zu steuern.
Mit einem etwas anderen Ansatz wurde eine neue Richtung eingeschlagen, bei der der Leistungs- und der Treiber-IC in einem einzigen Gehäuse integriert sind. Sonst gäbe es vielleicht nie Produkte , mit denen die Kunden zufrieden sind. Wir haben uns Gedanken darüber gemacht, dass sich der GaN-Markt vielleicht nie voll entfalten könnte."
ROHMs einzigartiger Ansatz
Hirotaka Otake:
„Zweifellos ist es den reichhaltigen Ressourcen von ROHM zu verdanken, dass die Entwicklung wieder aufgenommen wurde.
Unsere über 50-jährige Erfahrung in der Produktion analoger ICs, die den aktuellen Anforderungen entsprechen, inspiriert und motiviert unsere Ingenieure. Im Bereich der Stromversorgungs-ICs, in dem ROHM führend ist, haben wir umfangreiches Fachwissen entwickelt. Wir verfügen über das Personal und die Infrastruktur, um eine hohe Qualität in der Massenproduktion sicherzustellen.
Zugleich haben wir auch viele Vorteile im Hinblick auf GaN-Bauelemente. Bereits früh sammelte ROHM Hamamatsu Erfahrung in der Massenproduktion von blauen GaN-LEDs. Im Entwicklungsprozess, der auf eine hochwertige und stabile Massenproduktion von GaN-Kristallen abzielt, war die Einrichtung einer Entwicklungsbasis direkt neben der LED-Fertigungslinie entscheidend. Dies erwies sich als treibende Kraft.
ROHM Hamamatsu GaN-Produktion
・ Fertigungslinie für die Massenproduktion von GaN-Wafern. Die Technologie zur Züchtung stabiler Dünnschichtkristalle auf Siliziumsubstraten ist der Schlüssel
„Wir haben ein neues Projekt für die Entwicklung von Stromversorgungen und ICs ins Leben gerufen und dabei Ingenieure mit Fachwissen und Erfahrungen in verschiedenen Technologien zusammengebracht. In den 2020er Jahren hat die Entwicklung dann nochmal Fahrt aufgenommen."
Hirotaka Otake:
„Anfänglich war es ein internes Projekt, das heißt die Zahl der beteiligten Ingenieure und Einrichtungen war gering, und wir mussten jedes Jahr die Genehmigung des Unternehmens einholen. Aber als es an der Zeit war, das, was wir aufgebaut hatten, umzusetzen, haben unsere einzigartigen Stärken als umfassender Hersteller den Entwicklungsprozess nachhaltig beschleunigt."
Für eine nachhaltige Gesellschaft
Hier eine Zusammenfassung der Erwartungen an GaN-Bauelemente und ihre Eigenschaften.
Die nachstehende Abbildung zeigt die Verteilung der Anwendungen auf der Leistungs-/Frequenzachse, wobei der dominierende Bereich jedes Leistungsbauelements angegeben ist. Im Gegensatz zu SiC-Leistungsbauelementen, die sich in den letzten Jahren zunehmend als vielversprechend für das Schalten im Hochleistungsbereich erwiesen haben, ist GaN stark bei Anwendungen, die einen Hochfrequenzbetrieb im MHz-Bereich erfordern.
Ziel-Anwendungen
・ GaN wird voraussichtlich in Hochfrequenzanwendungen mit mittlerer Leistung eingesetzt werden
Ein Merkmal ist die Verbesserung der Schalteffizienz im Hochfrequenzbereich oberhalb des MHz-Bandes. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, erheblich zur Miniaturisierung der Endgeräte beizutragen.
Die Bereiche, in denen die größte Nachfrage erwartet wird, sind der Konsumersektor, z. B. Schnellladegeräte, und Rechenzentren im Telekommunikationsbereich. Der Stromverbrauch im Telekommunikationssektor macht schätzungsweise bereits 3 bis 5 % des weltweiten Stromverbrauchs aus. Mit der zunehmenden Zahl von Servern für Deep Learning, die von KI-fähigen Geräte genutzt werden, und mit dem Beginn der Ära des vollständig autonomen Fahrens wird das Kommunikationsvolumen voraussichtlich um das 100- bis 1000-fache ansteigen.
Hirotaka Otake:
„Das Unternehmensmotto von ROHM lautet 'Elektronik für die Zukunft', was das Engagement des Unternehmens für die Lösung gesellschaftlicher Probleme durch Elektronik verdeutlicht. Angesichts der großen Ziele, den Stromverbrauch zu reduzieren und CO2-Neutralität zu erreichen, denken wir stets darüber nach, wie viel unsere Technologien dazu beitragen können. Dies ist die treibende Kraft hinter unseren täglichen Bemühungen.
Von der Energieeinsparung in sozialen Infrastrukturen über die Verringerung der Größe und des Gewichts von Netzteilen bis hin zur Erweiterung der Flugreichweite von Drohnen - unser Ziel ist es, den Wert von GaN für Kunden in einer Vielzahl von Bereichen zu erschließen, die nicht auf spezifische Anwendungen beschränkt sind. Es gilt also, sich auf die Entwicklung von GaN-Produkten zu konzentrieren, die einfach zu benutzen sind."
Wo sieht der verantwortliche Ingenieur Yoshikazu Gunji Herausforderungen bei der Handhabung von GaN im Hinblick auf die Geräteentwicklung?
Die Grenzen des Gate Breakdowns überwinden
Yoshikazu Gunji:
GaN eignet sich vor allem für den Hochfrequenzbetrieb. Die Herausforderung besteht darin, dass mit steigender Frequenz die Signale schneller werden.
Diese Signale werden vom GaN-Gate-Terminal empfangen, das bei hohen Geschwindigkeiten zur Instabilität neigt. Die Herausforderung im Umgang mit GaN liegt in seiner Tendenz, schon bei geringen Spannungsspitzen zusammenzubrechen.
Yoshikazu Gunji ist ein junger Ingenieur. Er ist stolz darauf, sich mit dem globalen GaN-Markt zu beschäftigen und dabei eine eigene Technologie einzusetzen.
Als Gegenmaßnahme wurden in einigen Fällen Gate-Widerstände in den Zwischenkreis eingefügt, um ein Überschwingen zu vermeiden. Dies hat jedoch den Nebeneffekt, dass die Schaltgeschwindigkeit verlangsamt wird. Das führt zu wiederholten Versuchen, um den Vorteil gegenüber Silizium-Bauelementen nicht zu verringern.
Einsatz Gate-Widerstand (5 Ω)
・ Rote Kurve = Überschwingen tritt auf
・ Blaue Kurve = Überschwingen wird vermieden, aber Schaltgeschwindigkeit ist langsam
Es besteht die Möglichkeit, das Überschwingen intern zu kontrollieren; aktuell arbeitet ROHM an der Entwicklung eines Moduls mit einem Gate-Treiber-IC. Aber es ist auch wichtig, den Bedarf an diskreten Komponenten zu decken.
Wie stark kann ein Gate sein? Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, mussten nicht nur die Halbleiter selbst, sondern auch die Fertigungsanlagen drastisch angepasst werden.
Yoshikazu Gunji:
„Wir haben uns von den Merkmalen einer fehlerhaften Struktur inspirieren lassen, die während des Entwicklungsprozesses versehentlich entstanden ist, und dann überlegt, wie wir sie stabil machen können. Wir mussten ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Qualität sowie Produktivität finden, was sich als ziemlich schwierig erwiesen hat."
Das nachstehende Diagramm veranschaulicht die Leistung von <Starkem GaN> (die nach etwa zwei Jahren Try & Error erreicht wurde) im Vergleich zu bestehenden Produkten.
Unter dem 5-V-Ansteuerungsstandard hat herkömmliches GaN nur eine Spannungsmarge von etwa 1 V, was zu Schäden beim Überschwingen führt. Im Gegensatz dazu unterstützt die von ROHM neu entwickelte Gate-Source-Spannungstechnologie Spannungen bis zu 8 V. Die hohe Zuverlässigkeit wird durch eine dreifache Spannungsspanne im Vergleich zu früheren Modellen gewährleistet.
Vergleich der neuen Technologie von ROHM (rechts) mit konventionellen Produkten (links)
・ Der Unterschied im Grenzbereich für Spannungen über 6 V hat erhebliche Auswirkungen auf die Nutzbarkeit von GaN-Bauelementen
Dedizierte GaN-Gate-Treiber
Während sich die Bauelemente selbst in Richtung GaN entwickeln, das für Kunden einfacher zu verwenden ist, gab es auch technologische Durchbrüche bei den Gate-Treiber-ICs, die GaN ansteuern. Eine Lösung, die ROHM im Bereich der analogen ICs gefunden hat, ist die Entwicklung eines GaN-spezifischen Gate-Treiber-ICs.
Yuichi Shinozaki:
„Tatsache ist, dass es noch nicht viele dedizierte GaN-Gate-Treiberprodukte auf dem Markt gibt. Unser Ziel war es, die Leistung von GaN zu maximieren, ohne uns um Überschwingen und andere mit GaN verbundene Risiken zu sorgen. Als Ingenieur hat das unglaubliche Potenzial dieses Materials, das Silizium weit übertrifft, definitiv mein Interesse geweckt."
Yuichi Shinozaki ist ein unkonventioneller Ingenieur, der Judo bis zum dritten Dan beherrscht, was zu seinem selbstbewussten Auftreten passt. Seine derzeitige Abteilung, die sich aus Menschen aus verschiedenen Bereichen und Berufen zusammensetzt, ist voll von unterschiedlichen Impulsen, die seine Perspektive erweitert und sein Wertebewußtsein gestärkt haben.
Als IC-Design-Ingenieur in der Abteilung für Power Stage Product Development kann Yuichi Shinozaki sein Fachwissen und seine große Erfahrung in dieses Projekt und die Entwicklung von Stromversorgungs-ICs einbringen.
Der entscheidende Begriff bei dieser Entwicklung ist „Geschwindigkeit im Nanosekundenbereich (ns)".
Das Überschwingen wird durch den Einsatz von zwei speziellen Schaltungen unterdrückt. Dies ermöglicht ultraschnelles Schalten mit einer minimalen Gate-Eingangsimpulsbreite von 1,25 ns und maximiert die Einsatzmöglichkeiten von GaN in Anwendungen.
GaN-Gate-Treiber-IC-Schaltplan
・ Spezielle Treiberschaltung zur Unterdrückung von Überschwingern jenseits von 6 V und eine Bootstrap-Schaltung, die nicht von den GaN-Rückstromeigenschaften beeinflusst wird
Impulsbreite = 1,25 ns = Industrie-Bestwert
Nano Pulse Control™ und System-in-Package
„Da auch die Steuerschaltungen höhere Frequenzen unterstützen müssen, bildet die Stromversorgungstechnologie Nano Pulse Control™ von ROHM den Grundstein. Sie ist eine von drei Nano-Stromversorgungstechnologien, die 2017 vorgestellt wurden. Bei ihrer Entwicklung haben wir unser eigenes Anlalog-Knowhow genutzt, um Stromversorgungslösungen für Anwendungen anzubieten, die höhere Spannungen und Frequenzen erfordern."
Weiterführende Links
ROHMs innovative "Nano"-Power-Technologien erzielen bahnbrechende Energieeinsparungen und Miniaturisierungen
https://www.rohm.com/support/nano
Die Nano-Serie besteht aus drei hochmodernen Stromversorgungs-Technologien
・ Nano Pulse Control™ (links im Bild oben) wird für GaN verwendet
Hiroaki Ando:
„Als Nano Pulse™ am Markt vorgestellt wurde, wies es die weltweit kleinste Pulsbreite von 9 ns auf, die inzwischen auf nur 1 bis 2 ns verbessert wurde. Die Nano Pulse™-Technologie wurde vor allem für Anwendungen und Märkte entwickelt, die eine Abwärtsregelung von 48-V-Netzteilen erfordern. Damit wird mit einem einzigen Chip erreicht, was normalerweise zwei Chips für die DC/DC-Abwärtswandlung erfordert. Das minimiert die Baugröße und reduziert den Stromverbrauch drastisch.
Wir sind zuversichtlich, dass die Kombination dieser Technologie mit GaN uns in die Lage versetzen wird, eine breite Palette von Kundenanforderungen in Bereichen zu erfüllen, die bisher mit Silizium unerreichbar waren."
Hiroaki Ando, der wie Yuichi Shinozaki in die Abteilung für Power Stage Product Development berufen wurde, möchte Produkte entwickeln, die das Potenzial der Nano Pulse Control™-Technologie durch die Kombination mit GaN weiter maximieren.
Er ist ein erfahrener Experte, der seit über einem Vierteljahrhundert Stromversorgungs-ICs für verschiedene Abteilungen entwickelt. Er arbeitet jeden Tag an der Verbesserung der Energieeffizienz und konzentriert sich auch auf die <Nano Energy™-Technologie>, die zur <Nano Power Supply> Serie zählt.
Hiroaki Ando:
„Wir glauben, dass der Vorteil, den Wandlerschaltkreis von zwei Stufen auf eine zu reduzieren, den Weg für eine Single-Package-Lösung ebnen wird. Diese bündelt dann das GaN-Bauelement, den Gate-Treiber und den Controller-IC, der als Ultra-Hochgeschwindigkeits-Steuerzentrale dient, in einem einzigen Gehäuse."
Hiroaki Ando erklärt, dass der Controller-IC basierend auf Nano Pulse Control™ bereits Marktreife erreicht hat. Das Unternehmen arbeitet nun mit Hochdruck an der Entwicklung eines All-in-One-Produkts für die Zukunft.
Entwicklungsplan für die EcoGaN-Serie (Stand 2024)
Hirotaka Otake:
„Wir haben 2022 mit der Massenproduktion von EcoGaN™-Produkten begonnen, aber das ist nur der erste Schritt für uns. Mit der Entwicklung von Produkten, die den aktuellen und zukünftigen Bedürfnissen der Kunden genau entsprechen, hoffen wir, langsam Vertrauen aufzubauen. Unser Ziel ist es, die Zahl der GaN-Leistungsstufen-ICs, die eine hervorragende Leistung bieten und für die Kunden einfach zu handhaben sind, stetig zu erhöhen."
GaN-Evaluierungsboards, die auf jede Anwendung zugeschnitten sind
・ Evaluierungsboards als Ergänzung zu GaN-Produkten, die die Entwicklung unterstützen und die Produktevaluierung erleichtern.
Es ist zu erwarten, dass der Markt für GaN-Bauelemente zunehmend dynamischer wird, da große internationale Hersteller ihren Markteintritt ankündigen. Es besteht jedoch kaum ein Zweifel daran, dass ROHM sein beträchtliches Knowhow als Hersteller unter Beweis stellen wird und in der Lage ist, die Leistung von GaN sowohl auf der Bauteil- als auch auf der IC-Seite zu maximieren.
Die Entwicklung von GaN als dritte Säule nach Silizium und SiC hat endlich eine neue Phase erreicht.
Weiterführende Links
GaN Power-Bauteile
https://www.rohm.de/products/gan-power-devices
Hirotaka Otake:
„ROHM arbeitet seit langem an der GaN-Forschung und -Entwicklung, um Gallium-Nitrid als dritte Säule nach Silizium und SiC zu etablieren. Allerdings liefen die Dinge zunächst nicht reibungslos. Um ehrlich zu sein, gab es in den späten 2010er Jahren eine Zeit, in der wir fast aufgegeben hätten. Aber das Feedback, das wir von unseren Kunden erhielten, hat uns dann in eine andere Richtung gelenkt.