Imec a EUROPRACTICE oznamují vítěze soutěže o návrh technologie GaN-IC 2021

Diced-GaN-Wafer, podobný tomu, co budou moci vítězové vyrobit s imec.

Imec, přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, a EUROPRACTICE dnes oznámily vítěze soutěže o návrh GaN-IC 2021. Cílem soutěže je podpořit inovace v oblasti výkonové elektroniky, které využívají gallium nitridovou technologii Imec pro monolitickou integraci výkonových elektronických obvodů. Cenu získal projekt s názvem "High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits - all Gallium Nitride", který předložil výzkumný tým z katedry integrovaných analogových obvodů a RF systémů RWTH Aachen University. Návrhy od ESAT-MICAS z KU Leuven a Leibniz University Hannover obsadily druhé a třetí místo. Vítězné návrhy budou realizovány v prototypové podobě v rámci nadcházející série 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW), která odstartuje koncem října 2021.

Monolitická integrace GaN-ICs odemyká plný potenciál GaN výkonové elektroniky

Průmysl výkonové elektroniky hledá nové přístupy, jak vyvíjet výkonnější, menší a rychlejší komponenty, které zvýší hustotu výkonu zařízení. K tomuto účelu by mohly firmy využít gallium nitridovou technologii (GaN), která přináší výkonové prvky s vyšší průrazností, rychlejšími spínacími rychlostmi a nižším průchodním odporem. Jinými slovy: GaN technologie umožňuje výrazně překonat výkonové čipy na křemíkovém základě z hlediska systémového výkonu a účinnosti, velikosti a nákladů na balení. A funguje také při vyšších teplotách. To vzbudilo zájem řady průmyslových odvětví – od automobilového a spotřebního elektronického průmyslu po poskytovatele datacenter.

Současné GaN-bázené výkonové čipy již posunuly provozní frekvence a účinnost spínacích zdrojů (SMPS) na rekordní úroveň. Přesto jsou stále převážně dostupné jako diskrétní komponenty, zatímco klíčem k odemknutí plného potenciálu této technologie je snížení parazitních indukčností. Imec na tuto výzvu reagoval vývojem své GaN-on-SOI technologie, která umožňuje monolitickou integraci logických a analogových obvodů s výkonovými komponenty na stejném čipu. Tím lze parazitní indukčnosti výrazně snížit, což vede k výraznému zlepšení spínací rychlosti.

Nižší vstupní bariéry pro GaN-IC technologii od Imec

Aby byly GaN-on-SOI prvky a obvody dostupnější a cenově dostupnější pro své zákazníky, nabízí Imec prostřednictvím EUROPRACTICE řešení Multi-Project Wafer (MPW). V rámci modelu MPW jsou náklady na masky, zpracování a vývoj rozděleny mezi několik návrhů zákazníků, přičemž typicky jsou realizovány prototypové série s 40 vzorky čipů.

Jedná se o stejné MPW řešení, které podpořilo soutěž o GaN-IC, kterou nedávno spustily Imec a EUROPRACTICE a která byla určena univerzitním týmům, jež dosud nevyráběly prototypy s GaN-IC technologií od Imec.

Vítězné projekty

Tým z RWTH Aachen navrhl obvod založený na vysokonapěťové polovodičové výstupní větvi s integrovanými spínači a level-shifterem. Možnými aplikacemi jsou neinolační stejnosměrné měniče pro podporu automobilové elektroniky v nízkonapěťových systémech pro konvenční nebo hybridní vozidla či vysokonapěťové obvody pro plně elektrická vozidla.

Ačkoliv jsou multichipová řešení, která kombinují GaN polovodičové ICs s integrovanými spínači a level-shifterem, dostupná od omezeného počtu výrobců, neexistují plně integrované GaN měniče. Návrh týmu z Aachen je charakterizován velmi vysokou úrovní integrace všech GaN-ICs a integrací výkonových a řídicích obvodů, čímž se eliminují potřeba externích řídicích obvodů nebo spínačů.

Návrh týmu z KU Leuven zahrnuje přímý výkonový IC pro AC/DC konverzi, který je určen pro sériové produkty, jako jsou nabíječky a adaptéry pro mobilní zařízení, a také integrované výkonové měniče pro automobilovou a spotřební elektroniku.

Design univerzity Hannover využívá vyšších spínacích frekvencí GaN technologie ke zvýšení účinnosti offline měničů pro domácí spotřebiče a osvětlení s výkonem kolem 200 W, což představuje 60 % spotřeby energie v domácnostech EU, a tím pomáhá snižovat spotřebu energie.