Imec und EUROPRACTICE verkünden die Gewinner des GaN-IC-Technologie-Designwettbewerbs 2021

Ein Diced-GaN-Wafer, ähnlich dem, was die Gewinner mit imec herstellen werden können. / A diced GaN wafer, similar to what winners will be able to produce with imec.

Imec, das führende Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, und EUROPRACTICE haben heute die Gewinner des GaN-IC-Designwettbewerbs 2021 bekannt gegeben. Ziel des Wettbewerbs ist es, Innovationen in der Leistungselektronik zu fördern, die die Galliumnitrid-Technologie von Imec für die monolithische Integration von Leistungselektronikschaltungen nutzen. Das preisgekrönte Projekt mit dem Titel "High voltage half-bridge with integrated drivers and control circuits - all Gallium Nitride" wurde von einem Forscherteam des Lehrstuhls für Integrierte Analogschaltungen und HF-Systeme der RWTH Aachen University eingereicht. Die Vorschläge von ESAT-MICAS von der KU Leuven und der Leibniz Universität Hannover belegten den zweiten respektive dritten Platz. Die siegreichen Entwürfe werden in der kommenden 650V GaN-IC Multi-Project Wafer (MPW) Serie von imec, die Ende Oktober 2021 anläuft, in Prototypen umgesetzt.

Monolithische Integration von GaN-ICs erschließt das volle Potenzial der GaN-Leistungselektronik

Die Leistungselektronikindustrie sucht nach neuen Ansätzen, um leistungsfähigere, kleinere und schnellere Komponenten zu entwickeln, die die Leistungsdichte der Geräte erhöhen.  Zu diesem Zweck könnten die Unternehmen auf die Galliumnitrid-Technologie (GaN) zurückgreifen, die Leistungsbauelemente mit höherer Durchschlagsfestigkeit, schnelleren Schaltgeschwindigkeiten und geringerem Durchlasswiderstand hervorbringt. Mit anderen Worten: Die GaN-Technologie ermöglicht es, Leistungschips auf Siliziumbasis in Bezug auf Systemleistung und Effizienz, Platzbedarf und Packaging-Kosten deutlich zu übertreffen. Und sie funktioniert auch bei höheren Temperaturen. Dies hat das Interesse einer Vielzahl von Industriezweigen geweckt - von Automobil- und Unterhaltungselektronikunternehmen bis hin zu Anbietern von Rechenzentrumslösungen.

Die heutigen GaN-basierten Leistungschips haben die Betriebsfrequenzen und Wirkungsgrade von Schaltnetzteilen (SMPS) bereits auf Rekordniveau gebracht. Dennoch sind sie immer noch hauptsächlich als diskrete Komponenten erhältlich, während der Schlüssel zur Erschließung des vollen Potenzials der Technologie in der Reduzierung der parasitären Induktivitäten liegt. Imec hat auf diese Herausforderung mit der Entwicklung seiner GaN-on-SOI-Technologie reagiert, die eine monolithische Integration von Logik- und Analogschaltungen mit Leistungskomponenten auf demselben Chip ermöglicht. Auf diese Weise können die parasitären Induktivitäten drastisch reduziert werden, was zu einer deutlich verbesserten Schaltgeschwindigkeit führt.

Niedrigere Einstiegshürden für die GaN-IC-Technologie von imec

Um GaN-on-SOI-Bauelemente und -Schaltungen für seine Kunden erschwinglicher und leichter verfügbar zu machen, bietet imec über EUROPRACTICE eine Multi-Project-Wafer-Lösung (MPW) an. Beim MPW-Modell werden die Kosten für Maske, Prozessierung und Entwicklung auf mehrere Kundendesigns aufgeteilt, wobei typischerweise Prototyping-Läufe von 40 Muster-Dies realisiert werden.

Es ist die gleiche MPW-Lösung, die den GaN-IC-Wettbewerb unterstützt hat, der kürzlich von imec und EUROPRACTICE ins Leben gerufen wurde und sich an Universitätsteams richtete, die noch nie zuvor Prototypen mit der GaN-IC-Technologie von imec hergestellt haben.

Die Siegerprojekte

Das Team der RWTH Aachen hat eine Schaltung vorgeschlagen, die auf einer Hochspannungs-Halbbrücken-Ausgangsstufe mit integrierten Treibern und einem Level-Shifter basiert. Mögliche Anwendungen sind nicht isolierte Abwärtswandler zur Unterstützung der Automobilelektronik in Niederspannungssystemen für konventionelle oder Hybridfahrzeuge oder Hochspannungsschaltungen für vollelektrische Fahrzeuge.

Obwohl Multichip-Lösungen, die GaN-Halbbrücken-ICs mit integrierten Treibern und Pegelverschiebung kombinieren, von einer begrenzten Anzahl von Anbietern erhältlich sind, gibt es keine voll integrierten GaN-Wandler. Das vom Aachener Team vorgeschlagene Design zeichnet sich durch einen sehr hohen Integrationsgrad für alle GaN-ICs aus und integriert Leistungs- und Steuerschaltungen, wodurch externe Steuerungen oder Treiber überflüssig werden.

Das vom Team der KU Leuven vorgeschlagene Design umfasst einen direkten AC/DC-Leistungswandler-IC, der auf Großserienprodukte wie Ladegeräte und Adapter für mobile Geräte sowie integrierte Leistungswandler-Regler für die Automobil- und Unterhaltungselektronik abzielt.

Der Entwurf der Universität Hannover schließlich nutzt die höheren Schaltfrequenzen der GaN-Technologie, um den Wirkungsgrad von Offline-Wandlern für Haushaltsgeräte und Beleuchtung im Leistungsbereich von 200 W zu verbessern, der 60 % des Stromverbrauchs in Privathaushalten in der EU ausmacht, und hilft so, den Stromverbrauch zu senken.