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POWER
GaN
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- ELETTRONICA OGGI 451 - GENNAIO/FEBBRAIO 2016
•
Elevata efficienza di conversione energetica
•
Elevata densità di potenza/compattezza dimensionale
•
Elevata velocità di commutazione
•
Economicità
A seconda della funzione specifica del circuito integrato, alcu-
ne di queste caratteristiche saranno più importanti di altre. Il
GaN è in grado di soddisfare ampiamente tutti questi requisiti:
alcuni immediatamente, altri in futuro. Il grafico di figura 1 ri-
porta i miglioramenti potenziali in termini di densità di potenza
ottenibili con i disposiitvi GaN.
Un livello minimo di perdite nella conversione della potenza
è intrinseco in ogni sistema di potenza; tuttavia, grazie ad una
banda proibita (bandgap) maggiore, il GaN è caratterizzato da
perdite significativamente minori rispetto al silicio. Dato che
un chip GaN può essere più piccolo dell’equivalente di silicio,
i dispositivi basati su questa tecnologia possono essere ospi-
tati in package più compatti. Grazie alla sua elevata mobilità, il
GaN si rivela particolarmente efficace nei circuiti che richie-
dono elevata velocità di commutazione. La figura 2 mostra la
realizzazione fisica di un HEMT in GaN e le similitudini con la
tradizionale tecnologia dei MOSFET di potenza. Il moto laterale
degli elettroni nel GaN offre sia ridotte perdite di conduzio-
ne (bassa on-resistance) che basse perdite di commutazione.
Inoltre, una maggiore velocità di commutazione contribuisce a
ridurre lo spazio occupato in virtù del minor numero di com-
ponenti passivi richiesti nel circuito di potenza. Anche gli av-
volgimenti dei componenti magnetici presenti possono essere
più compatti. Inoltre, la migliore efficienza di conversione della
potenza del GaN implica una riduzione della quantità di ca-
lore da dissipare, con conseguente diminuzione dello spazio
richiesto dai dissipatori.
Gli ostacoli alla diffusione del GaN
La tecnologia del GaN possiede numerose caratteristiche
chiave che lo distinguono dal silicio e lo rendono particolar-
mente adatto alle applicazioni di potenza. Tuttavia, la penetra-
zione del GaN come materiale da impiegare per i dispositivi di
potenza è stata finora “frenata”.. Come per altre tecnologie a
stato solido che sono state sviluppate in passato, ci vuole tem-
po per raggiungere un certo livello di maturità. Risulta quindi
cruciale per ogni tecnologia poter offrire elevati livelli sia di
uniformità sia di ripetibilità per tutti i prodotti.. In passato que-
sto aspetto era il “tallone d’Achille” del GaN, che non era in gra-
do di garantire un’elevata resa produttiva, consentendo così al
silicio di offrire vantaggi di costo significativi che compensa-
vano le carenze prestazionali. In questo modo il silicio ha potu-
to mantenere la posizione di predominio nella produzione dei
semiconduttori di potenza. Ora lo scenario è mutato in quanto
i processi di fabbricazione dei dispositivi GaN lgarantiscono
una resa nettamente migliore e una qualità costante per tutti
i lotti prodotti.
Il GaN si trova nell’invidiabile posizione di poter beneficiare
delle infrastrutture di fabbricazione già in essere per i dispo-
sitivi in silicio. Aggiungendo solo alcune semplici fasi al pro-
cesso utilizzando le stesse attrezzature, è possibile utilizzare
i medesimi processi produttivi adottati per i CMOS da 6 e 8
pollici. Inoltre è prevista da possibilità di passare ai wafer da
12 pollici nel momento in cui aumenteranno i volumi.
Con il passaggio a dimensioni maggiori dei wafer si apre inol-
tre la possibilità di di poter mantenere produttive più a lungo le
strutture di produzione dei dispositivi in silicio. Questo signifi-
ca che “vecchie” linee di produzione potranno essere conver-
tite alla realizzazione di dispositivi GaN.
Grazie a questo importante abbattimento dei costi si apriran-
no nuove prospettive per il GaN. Analogamente a quanto ac-
cadde per i circuiti integrati tradizionali tra la fine degli anni
’60 e l’inizio degli anni ’70, si innesterà un circolo virtuoso in
quanto una crescente richiesta di GaN si tradurrà in maggiori
volumi di produzione e, conseguentemente, ad una ulteriore
riduzione del costo unitario.
Nei prossimi anni il GaN non sarà considerato come una tec-
nologia di nicchia, prodotta in piccole fonderie e laboratori. In-
vece, il suo successo commerciale si affermerà anche grazie a
produzioni su larga scala che comporteranno un allineamen-
to dei prezzi con quelli dei dispositivi in silicio. Da settembre
2014 ON Semiconductor sta collaborando con Transphorm
per l’introduzione della tecnologia GaN sul mercato. Grazie
all’abbinamento tra il know how acquisito da Transphorm nel-
la tecnologia GaN e il portafoglio di brevetti e le esperienze
maturate da ON nella produzione di massa, le due aziende
saranno in grado di commercializzare prodotti destinati alle
soluzioni di potenza delle prossime generazioni.
In conclusione, la crescente domanda di energia della nostra
società sta rendendo obsolete alcune tecnologie a stato solido
consolidate ed è quindi necessario intervenire. Se impiega-
to nel progetto di sistemi di potenza, il GaN ha la capacità di
assicurare notevoli miglioramenti nelle prestazioni rispetto a
quanto ottenibile dal silicio. Di conseguenza esso avrà un ruo-
lo di rilievo nella nuova era dell’elettronica di potenza, offrendo
ai progettisti dispositivi più efficienti, compatti e veloci. Grazie
al progresso tecnologico sarà possibile ridurre i costi associa-
ti alla produzione del GaN. E’ quindi arrivata la fase nella quale
il GaN può essere considerato maturo per la produzione su
grandi volumi.
Fig. 2 – Analogie tra i processi di fabbricazione del silicio e del GaN