Composants WBG en GaN: Nouvelles Opportunités pour l ...• STMicroelectronics a pris la décision...

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Composants WBG en GaN: Nouvelles Opportunités pour l'Électronique de Puissance Filippo Di Giovanni STMicroelectronics Paris 20 November 2018 Release 1.0

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Composants WBG en GaN: Nouvelles Opportunités pour l'Électronique de Puissance

Filippo Di Giovanni

STMicroelectronics

Paris 20 November 2018

Release 1.0

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GaN Development Strategy 2

Sources: (*) https://www.st.com/content/st_com/en/about/media-center/press-item.html/t4092.html(**) https://www.usinenouvelle.com/article/stmicroelectronics-va-creer-une-ligne-de-fabrication-de-puces-en-nitrure-de-gallium-a-tours.N746629

September 24, 2018 (*)

September 26, 2018 (**)

ST and CEA-Leti have joined forces to develop a 650 V normally-off GaNHEMT at 8’’ exploiting a full range of IPs owned by both Companies to deliver the state-of-the-art GaN technology for the most demanding power conversion applications

STMicroelectronics va créer une ligne de fabrication de puces en nitrure de gallium à ToursBonne nouvelle pour le site industriel de STMicroelectronics à Tours. Le fabricant franco-italien de semi-conducteurs compte y ouvrir en 2020 une ligne de production de circuits de puissance en nitrure de gallium (GaN pour gallium arsenide) sur plaquettes silicium de 200 mm de diamètre. La technologie y sera transférée depuis l’IRT Nanoelec à Grenoble, où il collabore à son développement avec le CEA-Leti, le laboratoire d’électronique du CEA qui pilote cet institut de recherche technologique

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Why Gallium Nitride?

The ever-increasing demand for electricity and pervasive use of Internet services must cope with efforts to de-carbonize our society. This can be achieved by improving the efficiency of all energy conversion systems from generation down to distribution

Silicon has dominated power applications for many years, but its physical limits are being approached. Only minimal improvements inefficiency can be achieved.

Wide Band Gap (WBG) semiconductors, and especially Gallium Nitride (GaN), have unique properties including lower on-resistance and faster switching that allow energy loss reduction and miniaturization. GaN is now a credible alternative to silicon in power conversion processes.

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Environmental Impact

System Efficiency

Small Form Factor

Benefits of GaN

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GaN Impact on Energy ConsumptionIT (Information Technology) Infrastructure Scenario

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Assuming 1% efficiency improvement in IT power supplies, we will get a total energy saving of 17.6 TWh

Therefore the total energy saving equals that of (17.6 / 6) ~ 3 nuclear plants !

Sources: U.S. Energy Information Administration, STMicroelectronics

Motor Drives55%

IT10%

Lighting20%

Others15%

Electricity Consumption by Application

1,764.1 TWh

1,513,327.6 TOE 2,161,896.5 TCE

10.36 MMBOE6,201,869,960 Kg CO2e

An average nuclear plant has a capacity of 0.7 GW, so output in one full year is almost 6 TWh

MMBOE: Million Barrels of Oil EquivalentTOE: tonnes of oil equivalentTCE: tonnes of coal equivalent

17,641 TWh Total WW Electricity Consumption (2014)

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Powering Next-generation Datacenters with GaNIT (Information Technology) Infrastructure Scenario

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85-265 VAC

CPU, FPGA, memory

36-60VDC400VDC

TotemPole PFC PoL

DC/DC

PoLDC/DC> 30% volume reduction

4X Power density

1.0V/1.8V

85-265 VAC

36-60VDC400VDC

TotemPole PFC PoL

DC/DC

PoLDC/DC99% efficiency

1.0V/1.8V

reduce component count by 50%

97% efficiency

LLC

LLC

CPU, FPGA, memory

Improving form factor and power density

Boosting efficiency and reliability

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Conduction loss5% Switching loss

2%

Power loss from other causes

33%

Power loss cut60%

GaN power device

GaN Enables Total System Efficiency Improvement 6

GaN power devices allow for reduced gate charge without sacrificing on-resistance leading to power saving and total system downsizing

Conduction loss25%

Switching loss20%

Power loss from other causes

55%

Moving from Si MOSFET to GaN power devicesOn-resistance losses: about 1/5

Switching speed: x40 - x100Operation frequency: 3x

Total efficiency: ≥ 85% Total efficiency: ≥ 95%

x2 – x3 power loss reduction

Source: STMicroelectronics

Silicon MOSFET

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Adaptor based on GaN switch

60 W Laptop Adapter with 92% Efficiency and Small Form Factor

7

5cm

3cm12cm

Conventional adaptor based on Silicon switch*

*Super Junction power MOSFET

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What is GaN ?• GaN is a binary compound whose molecule is formed from one atom of Gallium

(III-group, Z=31) and one of Nitrogen (V-group, Z=7) with wurztite hexagonal structure

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II III IV V VI

2 Be B C N O

3 Mg Al Si P S

4 Zn Ga Ge As Se

5 Cd In Sn Sb Te

Material properties Si (111) GaAs SiC GaN

Eg (eV) 1.1 1.43 2.86 3.39

Ec (MV/cm) 0.3 0.45 2.0 3.33

εr 11.9 13.1 9.8 9

µ (cm2/V·s) 1350 8500 650 1700

vs (107 cm/s) 1 2 2 2.5

Melting point (K) 1415 1238 2827 2791

κ (W/cm·K) 1.3 0.46 4.9 1.3

Ron, spec=4 BV2/(e0er)E3cr

Specific on-resistance of WBG vs. Si

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E-Mode GaN HEMTDifferent Implementations Overview

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• No intrinsic normally-off• Needs an Si device• Best mobility and charge• Stable gate structure

• High sheet resistance out of the gate

• Cannot tolerate Vg > 6 V• Normally-off• No insulator reliability issues

• Poor mobility under gate• Insulator reliability issues• Normally-off• Low resistance in the access

region and tolerate high VG value

E-Mode by cascode configuration pGate Recessed gate

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GaN Enables New Topologies 10

Totem-pole PFC

Half-bridge LLC converterActive Clamp Flyback (ACF) converter

Efficiency can reach 99%

LLC converters use ZVS switching. Coss is discharged before the transistor turns on. Discharge time is therefore a limiting factor for higher frequency unless a GaN transistor is used

Low switching losses and inductive energy utilization can be used at high frequencies in applications such as adaptors resulting in drastic size reduction

Bridgeless • High power density• High efficiency• Distributed heat

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Power vs. Frequency on Electronics Power Device Technology Positioning (2018)

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Use of parallel and series connections for power semiconductors, as well as power converters, means that virtually anyamount of electric power can be transformed, converted into another energy form or "generated" from another type of energy.

GTO/IGCT

Si MOSFET

Sw

itchi

ngpo

wer

(kW

)

Operating Frequency (Hz)

103

102

101

100

EV/HEV

Audioequipment

UPS

RailGrid Wind PV Home appliances

GaN

SiC

Source: Yole Power SiC 2018: Materials, Devices, and Applications

SiBipolar

IGBT/IPMThyristor

103 106104 105

Powersupplies for AC adapters servers

Switching power supplies

Gate turn-off thyristor (GTO)

Integrated gate-commutated thyristors (IGCT)

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650 V GaN-on-Si diode Development 12

2DEG lateral technology

Electrical performances

Reliability in blocking mode at 150°C demonstrated up to 650 V

GaN on 8" Si TO220 Package

Switching measurements: GaN vs. SiC

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GaN inside ST Power EcosystemCar Electrification Power Electronics by applications and technologies

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• STripFET™ F7, F8 (low voltage Power MOSFET)*Integrated Belt Starter Generator

GaN GaN / SiC

SiCGaN / SiC

MDmesh / Si IGBTGaN

/ STripFET F7, F8

STripFET F7 / STripFET F8 MDmesh / Si IGBT SiC / Si IGBT

Low

M

ediu

m

H

igh

Low

M

ediu

m

H

igh

Fre

quen

cy

Pow

er

12V 24V 48V 400V 800V Battery Domain Voltage

Device Breakdown Voltage40V 60V 80/100V 650V/750V 1200V

iBSG*Up to 10…20kWSTripFET F7 80V

Traction Inverter>150kWSiC 1200V

Traction Inverter<150kWSi IGBT 750V

Power DC-DCApprox 100kWSiC 1200V

OBC3.6...11kWFuture GaN 650VSiC/Si IGBT/MDmesh

Standard Motor ControlUp to 5kWSTripFET F7 80V/100V

OBC22kWFuture GaN 650VToday SiC 750V

Traction Inverter<150kWSiC 650V/750V

12V/48V DC-DCApprox 3kWFuture GaNToday STripFET F7 80V

• MDmesh™ (high voltage Power MOSFET)

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GaN HEMTMain Target Markets and Applications

• High Voltage GaN HEMT (650 V)

• Adaptors (PC, Portable Gear, Wall USB chargers)

• Servers (PFC)

• On Board chargers for EV / Plug-in HEV

• Space and Avionics

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• Low Voltage GaN HEMT (100 V – 200 V)

• Telecom / Datacenter DC/DC converters

• Wireless Charging

• Points-of-loads (POL)

• Class-D audio amplifiers

• Mild hybrid powertrain

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Points-clé à Retenir• STMicroelectronics a pris la décision stratégique de compléter son portefeuille technologique

de composants de puissance Si et SiC avec une technologie GaN-on-Si en 200 mm.

• L’IRT Nanoelec est un outil de collaboration multi partenarial particulièrement bien adapté à la stratégie de développement de STMicroelectronics sur le GaN• Innovation en rupture sur toute la chaîne de la valeur

• Excellence du consortium

• Flexibilité du programme technique

• La première génération de composants GaN-on-Si 650V développée dans l’IRT Nanoelecsera transférée sur la ligne pilote 200 mm de ST Tours à partir de l’an 2020.

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