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Interview mit Alex Lidow, EPC

Was gibt’s Neues bei Galliumnitrid?

02. Oktober 2020, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Was gibt’s Neues bei Galliumnitrid?
© WEKA Fachmedien

Bild 3: Unser Redakteur Ralf Higgelke traf sich mit Alex Lidow (rechts), CEO des GaN-Pioniers Efficient Power Conversion (EPC), im Dezember 2019 in München.

Alex Lidow ist der CEO von Efficient Power Conversion. Bereits 2009 lieferte der wohl prominenteste Fürsprecher von Galliumnitrid den ersten GaN-Transistor. Nach einem Jahrzehnt Erfahrung mit der Auslieferung von Produkten trafen wir ihn, um mit ihm einige aktuelle Fortschritte zu erörtern.

DESIGN&ELEKTRONIK: Ist die sechste Generation Ihrer eGaN-Produkte bereits erhältlich?

Alex Lidow: Nein, noch nicht. Außerdem nennen wir diese auch nicht mehr Gen6. Diese Zählung hat sich als zu verwirrend erwiesen. Aber wir haben eine Reihe von Produkten mit einer höheren Stromdichte entwickelt, die wir in den nächsten Monaten auf den Markt bringen werden.

D&E: Wie haben Sie diese höhere Stromdichte erreicht?

Lidow: Wir haben die Bauelemente bei gleichem Strom geschrumpft, indem wir die Metallschichten, insbesondere die dicken Kupferschichten oben, weiter verstärkt haben [siehe Bild 1, Anm. d. Red.]. Außerdem haben wir die Verbindungstechnik von einem Ball Grid Array auf ein Land Grid Array umgestellt [siehe Bild 2, Anm. d. Red.].

D&E: Ein großes Thema bei den GaN-HEMTs ist das Treiben dieser Bauelemente. Ich habe gelernt, dass es sehr schwer ist, Galliumnitrid mit positiven Ladungsträgern zu dotieren. Wie erstellen Sie also die Treiber- und Schutzschaltungen in Ihren eGaN-ICs?

Lidow: Galliumnitrid leitet Elektronen sehr gut mithilfe des zweidimensionalen Elektronengases [kurz: 2DEG, Anm. d. Red.]. Ohne eine effiziente Löcherleitung lassen sich keine CMOS-ähnlichen Schaltungen integrieren, das ist offenkundig. Um also beispielsweise eine monolithische Halbbrücke anzusteuern, müssen die Gate-Treiber mit einer Spannung versorgt werden, die über der Zwischenkreisspannung liegt. Wir integrieren daher einen Hochsetzsteller in unsere ICs.

Efficient Power Conversion, Gallium Nitride, GaN
© Efficient Power Conversion

Bild 2: Anstelle eines Land Grid Arrays (LGA; oben) verwendet EPC für die neuesten Produkte ein Ball Grid Array (BGA, unten).

D&E: Forscher der Cornell University behaupten, ein Bauteil mit einem effizienten zweidimensionalen Löchergas hergestellt zu haben. Glauben Sie, dies eröffnet einen neuen Weg zur CMOS-ähnlichen Integration bei Galliumnitrid?

Lidow: Zweidimensionales Löchergas ist keineswegs neu. Dieses Konzept ist seit mindestens 15 Jahren bekannt. Die Cornell-Leute behaupten, eine höhere Löchermobilität als früher erreicht zu haben. Allerdings konnte ich keine konkreten Zahlenangaben dazu finden, wie hoch diese Mobilität nun wirklich war. Falls die Löchermobilität nicht mehr als 200 Quadratzentimeter pro Volt und Sekunde [cm²/(V ∙ s), Anm. d. Red.] beträgt, wäre ein solches p-Kanal-Bauelement nicht effizient genug, um ein entsprechendes n-Kanal-Bauelement zu treiben oder ein solches zu komplementieren, wie das bei Silizium mit CMOS der Fall ist. Ich persönlich glaube, dass sie keine ausreichend hohe Löcher-mobilität erreicht haben.

D&E: Die GaN-Landschaft verändert sich dramatisch. Im Juli 2019 gab Power Integrations bekannt, dass es bereits seit einiger Zeit GaN in Stückzahlen liefert, und im November stellte Nexperia nach zehn Jahren Entwicklungsarbeit sein erstes GaN-Produkt vor. Aber all dies sind Hochspannungsprodukte für 600 oder 650 Volt. Im Niederspannungsbereich ist EPC immer noch der einzige Anbieter, oder?

Lidow: Soviel ich weiß, hat GaN Systems Niederspannungsprodukte im Angebot. Infineon hat diese angekündigt, aber sie haben sie noch nicht. Gleiches gilt für mehrere andere Hersteller. Ich genieße also die Tatsache, mehr oder weniger allein auf weiter Flur zu sein. Es gibt viele gute Anwendungen für Niederspannungs-GaN, aber es gibt auch viele gute Anwendungen für 600 Volt.

EPC
© Efficient Power Conversion

Bild 2: Anstelle eines Land Grid Arrays (LGA; oben) verwendet EPC für die neuesten Produkte ein Ball Grid Array (BGA, unten).

D&E: Power Integrations stellt nun ebenfalls GaN in großen Volumina her. Sie integrieren den GaN-Schalter jedoch nicht monolithisch, sondern in Kombination mit einem siliziumbasierten Treiber und ihrer proprietären FluxLink-Technologie. Wie zu hören ist, verwendet das Unternehmen nicht Silizium als Substrat, sondern Saphir. Was halten Sie von der Verwendung eines anderen Substrats?

Lidow: Ich vermute, dass Power Integrations im Bereich der Netzadapter unter Druck stand. Sie hatten dort einen großen Marktanteil, standen aber zunehmend unter dem Druck durch Design-Wins von Mitbewerbern wie Navitas. Sie mussten also etwas deswegen unternehmen. Da Silizium immer mehr seine physikalischen Grenzen erreicht, bestand die einzige Möglichkeit, ihre Produkte weiter zu verbessern, darin Galliumnitrid zu verwenden.

Sie integrierten im gleichen Gehäuse ein selbstleitendes GaN-Bauelement mit dem Verarmungstyp – das einfachste, das man auf dem Markt finden kann. Ich denke, es ist nur eingeschränkt nutzbar, aber durch den gezielten Einsatz ihrer speziellen Steuerungsverfahren konnte Power Integrations die Performance ihrer Produkte gezielt verbessern. Aber diskrete GaN-Bauteile wird man auf Saphir nicht sehen, weil dieses Material so schlecht Wärme leitet. Daher eignet es sich nicht für Hochleistungsanwendungen. Aber für ein Steckernetzteil reicht es vollkommen aus.

D&E: Wir diskutieren ja von Zeit zu Zeit über neue Anwendungen für Galliumnitrid. In Ihrem heutigen Vortrag haben Sie das Thema 48 Volt in Automobilanwendungen betont. Was waren die Hauptpunkte Ihres Vortrags?

Lidow: Ich habe über zwei verschiedene Anwendungen für GaN in der Automobilindustrie gesprochen. Die eine ist heute bereits im Einsatz, nämlich Lidar. Lidar wird bekanntlich in autonomen Autos eingesetzt, aber der Einsatz beschränkt sich nicht auf PKW. Es wird auch in ausgefallenen autonomen Fahrzeugen wie Lieferwagen und Drohnen eingesetzt. Der andere große Markt für GaN in der Automobilindustrie wird die sich abzeichnende bidirektionale DC-DC-Wandlung von 48 Volt auf 14 Volt in Mild-Hybrid-Fahrzeugen sein. Voraussichtlich ab 2022/23 wird dieser Markt stark wachsen.

Bei Lidar-Anwendungen sind Galliumnitrid-Transistoren nicht nur die besten Bauteile, sondern tatsächlich die einzigen, die den Laser mit der erforderlichen Genauigkeit zünden können. Bei der bidirektionalen DC-DC-Wandlung von 48 Volt auf 14 Volt gibt es außerdem noch Lösungen auf Siliziumbasis. Es wird also ein direkter Wettbewerb um die Kosteneffizienz stattfinden.

D&E: Alex, vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben.
Das Interview führte Ralf Higgelke.

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