בין אם מדובר במוצרי צריכה אלקטרוניים, בחומרה המשמשת בתקשורת, בכלי רכב חשמליים או במכשירי חשמל ביתיים, הדרישות הקפדניות המוצבות כיום בפני מהנדסים, לשיפור יעילות המרת מתחים, מעלות את רמות צפיפות ההספק, מאריכות את חיי הסוללה ומאיצות את מהירויות המיתוג. המשמעות של כל אלו היא, שתעשיית האלקטרוניקה עומדת להפוך להיות תלויה במידה רבה מאוד בזן חדש של מוליכים למחצה להספק גבוה, תוך ניצול טכנולוגיות תהליכים שכבר עתה אינן מבוססות סיליקון (Si). עם יכולתו להגיע לתוצאות של מבחני ביצועים שקודם לכן לא היו אפשריות, גליום-ניטריד (GaN) מופיע עתה, כאחת מטכנולוגיות התהליכים שעומדת לעצב את פני העתיד בתחום תכנון מערכות הספק.
ל-GaN הייתה השפעה עצומה בכמה מגזרים של התעשייה במהלך העשור האחרון. בתחום האלקטרו – אופטיקה הוא שימש כאמצעי בתהליכי פיתוח ובהתפשטות אור בעוצמת הארה גבוהה שמופקת מדיודות פולטות אור (HBLED). בתקשורת אלחוטית הוא כבר משמש במכשירים שפועלים בתדר רדיו (ת”ר – RF) להספק גבוה, כמו טרנזיסטורי ניידות-אלקטרונים גבוהה (HEMT) ומעגלים מונוליטיים משולבים לגלי מיקרו (MMIC). יש היום פוטנציאל עצום לאימוץ רווח של GaN ביישומי הספקים. לפי התחזית של חברת המחקר Yole Research שנערך בתעשייה, עד לשנת 2020, ערכם של עסקי הרכיבים להספק ב-GaN אמור להיות
כ-600 מיליון דולר בשנה.
על מנת שההערכה של חברת המחקר Yole Research תוכח כנכונה ואפשר יהיה להגיע לנתון הזה, נצטרך להיות עדים לשיעור צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של 100% במהלך החמש השנים הבאות. ועם זאת, קיימים עדיין אינסוף אתגרים שבהם יש לטפל לפני שזה יכול לקרות בפועל. במאמר זה נבחן את מה שכבר נעשה, כדי להבטיח את האימוץ הנרחב של GaN
מה הביא לעניין הרב ב-GaN דווקא עכשיו?
קיימים כמה תהליכים דינמיים שמובילים לכך ש- GaN מקבל בזמן האחרון התייחסות רצינית יותר מזו שקיבל קודם לכן. אילוצים של מקום שמתגברים והולכים המופעלים על תכנונים של מערכות הספק. למשל, בתחום האלקטרוניקה לצריכה, הקומפקטיות של המטענים המשמשים במוצרים ניידים הופכת בקביעות לפשוטה יותר ויותר. בד בבד, מסדי ההתקנה במרכזי הנתונים מתחילים להיות עמוסים יותר. כתוצאה מכך, יש צורך להגדיל את צפיפויות ההספק ולשפר את הנצילות של המרת המתחים, על מנת שמנגנוני סילוק החום הנלווים למעגלים המשולבים המשמשים במערכות הספק לא יתפסו מקום רב מדי. כל זאת הביא לדרישה בלתי פוסקת למהירויות מיתוג גבוהות יותר שבהן יפעלו טרנזיסטורי MOSFET להספק.
הרוב המכריע של טכנולוגיות התהליכים העכשוויות בייצור מוליכים למחצה מסתמך על מצע (substrate) מסיליקון (Si). אותם תהליכי ייצור בסיליקון שהתבססו לפני זמן רב, הם המהווים את היסודות לתעשיית האלקטרוניקה מזה עשרות רבות של שנים. על אף שלאורך התקופה האמורה, תהליכים אלו היו אמצעי מתאים ביותר לביצוע המרת מתח בנצילות גבוהה, מהר מאוד הגיע הרגע שבו לא היה בהם די. חוק Moore מתקרב באופן מתמיד לקצה הגבולות הפיסיים שלו. כל מה שאפשר לצפות לו בעתיד הוא שיפורים הפרשיים קטנים בביצועים של הסיליקון. בהינתן העובדה שכנראה, אנו נידונים לחיות בחברה שיש בה רעב מתגבר ובלתי פוסק לאנרגיה חשמלית, עלינו לחקור טכנולוגיות חלופיות במוליכים למחצה.
מה יש בטכנולוגיית GaN שמושך אותנו אליה?
התקני הספק בסיליקון מתחילים כבר היום להגיע לשלב, שבו כבר לא נוכל לבצע שיפורים משמעותיים בביצועים. המסקנה הבלתי נמנעת שאפשר להסיק מכך, היא שיכולתם של התקני סיליקון לתמוך בהתקדמות טכנולוגית דועכת והולכת. עתה קיים צורך ברור לדבר-מה שיהיה מהפכני באמת.
כפי שנאמר כבר, מוליכים למחצה להספק צריכים להיות מסוגלים לספק שילוב של:
1. נצילות גבוהה של המרת מתחים.
2. צפיפות הספק גבוהה וגודל קומפקטי.
3. מהירויות מיתוג גבוהות.
4. כדאיות מבחינת העלות.
בתלות בייעוד המסוים של המעגל המשולב, חשיבותם של מאפיינים מסוימים מאלו המוזכרים לעיל תהיה גבוהה יותר מהחשיבות שתהיה למאפיינים אחרים. מיקומה של טכנולוגית GaN טוב דיו כדי לעמוד בכל המאפיינים האלו – בכמה מהם היא עומדת כבר עתה, באחרים היא תוכל לעמוד בצורה טובה למדי בעתיד.
מידה מסוימת של הפסדים בהמרת מתחים תהיה מובנית בכל תכנון של מערכת הספק, אבל בזכות פער האנרגיה (bandgap) הגדול שלה, יש לטכנולוגית GaN הפסדים נמוכים יותר באופן משמעותי מאשר אלו שקיימים בטכנולוגית הסיליקון. הבדל זה מתורגם לנצילות המרת מתחים טובה יותר בהרבה. מאחר ששבב GaN יכול להיות קטן משבב Si שווה הערך, אפשר לארוז את ההתקנים המבוססים על טכנולוגיה זו במארזים בעלי ממדים קטנים יותר. בזכות ניידותה הגבוהה של טכנולוגית GaN, היא יעילה מאוד לשימוש במעגלים, שבהם יש צורך במהירויות מיתוג גבוהות. אם נתבונן במבנה הפיסי של התקן HEMT בטכנולוגית GaN, נוכל להיווכח עד כמה הוא דומה להתקנים בטכנולוגית MOSFET הקיימת. זרימת האלקטרונים הרוחבית בהתקני GaN מספקת הפסדי הולכה נמוכים (התנגדות נמוכה במצב פתוח – On) וגם הפסדי מיתוג נמוכים. בנוסף, מהירויות מיתוג גבוהות מסייעות גם לחיסכון במקום, מפני שאפשר לכלול פחות רכיבים פסיביים במעגלי ההספק, והסלילים המשמשים עבור הרכיבים המגנטיים הנלווים יכולים להיות קטנים יותר, בהרבה. כמו כן, המשמעות של רמות הנצילות הגבוהות יותר של המרת המתחים, שאותן מציעה טכנולוגית GaN, היא שההספק שאותו צריך לפזר קטן יותר, ובכך קטן גם המקום שאותו צריך להקצות למטרות ניהול
מדוע טכנולוגית GaN נותרה מאחור עד כה?
כפי שאפשר לראות, יש לטכנולוגית GaN כמה מאפיינים חשובים שמבדלים אותה מטכנולוגית הסיליקון והופכים אותה למתאימה במיוחד ליישומי הספק. עם זאת, ההתקדמות של GaN כחומר המשמש בהתקני הספק הייתה עד כה איטית. בדומה לטכנולוגיות אחרות של מוליכים למחצה שפותחו בעבר, גם זו הייתה צריכה זמן כדי שתוכל להגיע למצב של בשלות. כל טכנולוגיה חייבת להגיע למצב שבו היא יכולה להציע באופן מלא דרגות גבוהות של אחידות ושל הדירות, ועד עתה נושא זה היה בעיה מבחינת טכנולוגית GaN. לטכנולוגיית GaN יש תנובה נמוכה שנגזרת מתהליך הייצור שלה, לכן, על אף חסרונות הביצועים של טכנולוגיית Si, הוכרעה הכף לטובת זו האחרונה, בשל יכולתה להציע יתרונות משמעותיים מבחינת העלות. כך יכול היה הסיליקון להישאר במעמדו השולט בתחום הייצור של מוליכים למחצה להספק. ועתה, תהליכי הייצור הקשורים לטכנולוגית GaN משתפרים עם קבלת תוצאות תנובה טובות יותר בכל פעם ועם אמינות גבוהה יותר שאפשר לקבל היום.
טכנולוגית GaN נמצאת בעמדה מצוינת, שבה היא יכולה לזכות ביתרונות המגיעים מתשתית הייצור שכבר משמשת עבור התקני Si. על ידי הוספה של כמה צעדי תהליכים פשוטים בלבד, אפשר להשתמש בעזרת הציוד הקיים בתהליכי ייצור סיליקון קיימים של CMOS ב-6 אינטש וב-8 אינטש, ואפשר יהיה לשדרג אותם ל-12 אינטש, כאשר דרישות הכמויות יגיעו לכך.
כשהייצור של התקני CMOS סטנדרטיים בסיליקון עובר לפרוסות גדולות יותר, קיימת הזדמנות אמיתית לתשתית הייצור הוותיקה, שבמקורה נוצרה עבור התקני , (אשר בתנאים אחרים הייתה הופכת למיותרת), להמשיך ולשמש זמן ארוך יותר. המשמעות היא שאתרי ייצור שבבים ישנים יזכו ל”חיים שניים” על ידי מעבר לייצור בטכנולוגית GaN.
הורדת העלויות בדרך זו תפתח דרכים חדשות עבור טכנולוגית GaN. בדומה לתופעת כדור השלג שהתרחשה בסוף שנות השישים ותחילת שנות השבעים בתחום המעגלים המשולבים מבוססי Si, כך יהיה גם הפעם – הדרישה הגדלה ל-GaN תוביל להיקפי ייצור גדולים יותר ולעלויות נמוכות יותר, לכל יחידה.
טכנולוגית GaN לא תיחשב עוד בשנים הקרובות כטכנולוגית מוליכים למחצה שמיועדת לשווקים מצומצמים (טכנולוגית “נישה”), כזו המיוצרת רק באתרי ייצור קטנים ובמעבדות, אלא תייצב את עצמה כבעלת יכולת קיום מסחרית וכפתרון בהיקף נרחב, אשר באמצעותו אפשר ליצור התקנים בעלי מחיר שעומד בתחרות מול הסיליקון. מאז חודש ספטמבר האחרון, חברת ON Semiconductor משתפת פעולה עם חברת Transphorm כדי להוציא את טכנולוגית GaN לשוק. השילוב של הידע המצוי בידי Transphorm בנוגע לטכנולוגית GaN, עם המומחיות של ON Semiconductor, יאפשר לשתי החברות להוציא לשוק התקני הספק למימוש הדור הבא.
בסיכום, הדרישה שלנו לאנרגיה חשמלית תשיג את טכנולוגיות המוליכים למחצה הוותיקות ביותר, ומשהו חייב להיעשות על מנת לענות על בעיה זו. כאשר מיישמים אותה בתכנונים של מערכות הספק, טכנולוגית GaN יכולה לאפשר שיפורי ביצועים משמעותיים ביותר, מעבר למה שאפשר להשיג עם התקני Si. כתוצאה מכך, ניתן לשער בוודאות שהיא תמלא תפקיד עצום בעידן החדש של התקני הספק אלקטרוניים שעה שהיא מספקת לאנשי הפיתוח התקנים שמאפשרים נצילות גבוהה יותר, ממדים פיסיים קטנים יותר ומהירויות מיתוג גבוהות יותר. הודות לשיפורים חשובים בטכניקות, אפשר יהיה להקטין את ההוצאות הכרוכות בייצור התקני GaN. אנו עומדים אם כן, במקום, שבו אנו יכולים סוף כל סוף להתייחס לטכנולוגית תהליכים כאל טכנולוגיה שמוכנה לייצור בהיקף גדול.
איור 1.
שיפורים פוטנציאליים בצפיפות ההספק בשימוש ב- G
Tim Kaske הינו מנהל שיווק מוצרים בחברת ON Semiconductor
