Un nuovo capitolo per il nitruro di gallio

ST ed Exagan accelerano l'adozione su larga scala di prodotti al nitruro di gallio.

di Fonte ST 22-07-21
È ancora troppo presto per l'adozione di dispositivi di alimentazione al nitruro di gallio (GaN)? Un passo importante sta nell'acquisizione da parte di ST di una quota di maggioranza della francese Exagan, azienda innovatrice con un'esperienza di crescita epitassiale unica e uno dei pochi selezionati per consentire l'implementazione e la produzione di massa di dispositivi di alimentazione GaN su wafer da 200 mm.

L'investimento è un esempio dell'impegno di ST nel campo dei semiconduttori di potenza composti. Il nitruro di gallio è un materiale semiconduttore composto III/V, dotato di un ampio bandgap di 3,4 eV e una mobilità degli elettroni di 1.700 cm2/Vs. Comparativamente, il silicio si trova a 1,1 eV e 1.400 cm2/Vs.

Le proprietà intrinseche del GaN si traducono in una maggiore tensione di rottura e in una minore resistenza allo stato on, il che significa che il componente può gestire in modo più efficiente carichi maggiori rispetto a un dispositivo in silicio di dimensioni simili. ST è stata una delle prime aziende a fornire dispositivi di alimentazione tradizionali con il nuovo materiale. In effetti, la serie MASTERGAN offre il primo e unico system-in-package del settore con due transistor GaN e-Mode.

Grazie all'accordo con Exagan, ST sarà la prima azienda ad avere nel portfolio dispositivi GaN in modalità di esaurimento (D-mode) e in modalità di miglioramento (E-mode).

Nonostante la crescente popolarità dei dispositivi GaN, possono sorgere problemi nell'adozione dei prodotti a livello manageriale. Da un lato, persino gli utenti finali stanno iniziando a conoscere il nitruro di gallio. I dispositivi di alimentazione GaN sono sempre più presenti negli oggetti di uso quotidiano, come abbiamo dimostrato durante l'Industrial Summit 2020. Dall'altro, può capitare che alcuni produttori industriali, ad esempio, evitino il GaN per paura di dover riprogettare il PCB o incorrere in problemi di approvvigionamento.

Una nuova tecnologia può raggiungere un'adozione massiccia solo se è possibile produrla in modo efficace. All'inizio del secolo, l'industria doveva ancora lottare con un numero così elevato di difetti nei cristalli di nitruro di gallio che i dispositivi erano impraticabili. Le cose sono notevolmente migliorate da allora. Tuttavia, gli ingegneri possono solo immaginare realisticamente l'utilizzo di dispositivi di alimentazione GaN se i processi di produzione continuano a migliorare.

Il lavoro di Exagan è stato quindi altamente simbolico perché l'azienda ha aumentato i rendimenti utilizzando anche wafer da 8 pollici. Come ha spiegato Eric Moreau, Product and Application Director di Exagan, responsabile del coordinamento dei sistemi PowerGaN e dell'ecosistema delle applicazioni: “Quando abbiamo avviato Exagan, avevamo già le competenze per far crescere lo strato epitassiale. Tuttavia, sapevamo di voler andare oltre gli standard del settore. A quel tempo, tutti usavano wafer da 150 mm. Se potessimo superare la sfida degli 8 pollici, saremmo all'avanguardia e offriremmo i rendimenti e l'economia di scala necessari per la penetrazione del mercato di massa di GaN”.

Gli ingegneri che cercano di convincere i propri manager devono dimostrare la proposta di valore di GaN. I numeri teorici sono ottimi, ma chi prende le decisioni ha bisogno di valori reali, come quelli delle prestazioni dei circuiti. Infatti, i dispositivi GaN consentono una drastica riduzione delle perdite sia di conduzione che di commutazione, che a sua volta abbassa la distinta base del sistema di raffreddamento. Inoltre, le migliori prestazioni di commutazione implicano componenti passivi più piccoli e leggeri, ovvero condensatori e induttori. Di conseguenza, è possibile creare sistemi anche quattro volte più compatti grazie a una maggiore densità di potenza.

Come spiega Roberto Crisafulli, GaN Business Unit Manager di ST: “Nel complesso, questo rappresenta un importante passo avanti nel consolidare la posizione di ST nella tecnologia GaN portando l'esperienza e il know-how unici di Exagan. La mossa sarà determinante per rafforzare la ST come leader mondiale indiscusso nei semiconduttori di potenza con nuovi materiali compositi”.

Quarant'anni fa, il silicio è diventato onnipresente nell'elettronica perché l'industria ha iniziato a usarlo in modo efficiente e affidabile nei transistor. Ed è da una tale base che tutte le altre innovazioni nei dispositivi al silicio fluiscono ancora oggi.

I produttori non possono giustificare il progresso di una tecnologia se non possono già vedere alcuni risultati positivi. Combinando le tecnologie ST ed Exagan, abbiamo creato una solida base per futuri investimenti e innovazioni GaN. In parole povere, il nitruro di gallio è oggi dove si trovava il silicio quarant'anni fa e l'industria ha appena intravisto il suo potenziale di crescita.

(lo)