Imec start programma voor ontwikkeling van 300mm-GaN-wafers

Het Belgische onderzoekslaboratorium imec start een programma gericht op de ontwikkeling van 300mm-GaN-wafers. Imec werkt hiervoor samen met Aixtron, GlobalFoundries, KLA Corporation, Synopsys en Veeco. De testlijn moet eind 2025 operationeel zijn.

Volgens imec heeft het gebruik van 300mm-wafers verschillende voordelen ten opzichte van het gebruik van 200mm-wafers, die momenteel grotendeels de standaard zijn bij GaN. Zo worden de productiekosten lager, mede doordat de wafers een ruim twee keer groter oppervlak hebben, en is het mogelijk om geavanceerdere toepassingen te ontwikkelen. Het onderzoekslab noemt als voorbeeld efficiënte laagspanningsconverters voor cpu's en gpu's.

Imec ontwikkelt eerst een platform voor laagspannings-GaN-apparaten vanaf 100V. Hiervoor gebruikt de organisatie een 300mm-siliciumsubstraat. Later zal het onderzoekslab ook een platform voor hoogspannings-GaN-apparaten van minimaal 650V ontwikkelen. Bij deze wafers gebruikt imec Qromis substrate technology (QST)-substraten met een kern van polykristallijn aluminiumnitride. De 300mm-wafers zijn compatibel met de veelgebruikte complementary metal–oxide–semiconductor-, ofwel cmos-techniek.

Galliumnitride (GaN) is een materiaal dat steeds populairder wordt binnen vermogenselektronica. Het is efficiënter dan traditionele siliciumcomponenten en kan kleinere, lichtere en energiezuinigere elektronische apparaten mogelijk maken. Opladers op basis van GaN zijn bijvoorbeeld zuiniger en minder vatbaar voor oververhitting.

Reacties (18)

[cptjack]

Deze ontwikkeling is zeker een goede zet richting de toekomst. Vanaf de Rubin Ultra generatie GPUs zet Nvidia in op zogenaamde Hoge Voltage (HVDC) gelijkstroom datacenters. Hierbij zal de stap naar AC laagspanning (240V) overgeslagen worden en wordt deze vervangen door 800V DC distributie. Zo zal het aantal stappen, en het verlies door omzetting AC/DC van hoge naar lage voltages, beperkt worden.

In het nieuwe datacenter design gaat men van hoogspanning direct naar 800V HVDC, waarna er binnen de servers pas wordt omgezet naar 48V, 12V en lager. Hierdoor gaat de efficientie van het datacenter met ettelijke procenten omhoog.

Omdat stroom en warmte een steeds grotere uitdaging vormen is elke vorm van efficientie ook pure winst in dollars en CO2-uitstoot. Dit vraagt een hele omschakeling van de stroominfrastructuur en deze ontwikkeling maakt de technologie goedkoper per power-chip.

bron

[beerse]

Tja, als je 100 volt laagspanning noemt, dan ben je niet met computer chips bezig op die wafers. Met ook het gebruik van 650 volt vraag ik mij af over welke vermogens we het hier hebben die met deze halfgeleiders worden verwerkt. Zomaar een vraag van iemand die 40 jaar geleden iets met hoogspanning heeft gedaan maar een andere kant op is gegaan.

[LaMoS]

Er zijn ook sectoren waar tot 1000V laagspanning wordt genoemd

Dit zijn halfgeleiders voor vermogen elektronica, vooral dingen die je gaat terugvinden in alles waar we van DC naar AC gaan, en andersom, en ook DC-DC, of het schakelen van stromen zonder bewegende delen (oa. MOSFETS). Voor toepassingen als laders (voor je gsm, auto, ...), omvormers (voor je zonnepanelen, compressor van je warmtepomp, ....), de elektronica op je moederbord die ervoor zorgt dat alles de juiste spanning en stroom krijgt, de elektronica in de LED lamp in je woonkamer, etc, etc....

Niet de meest sexy tak van de sport, maar wel een die terug te vinden is in quasi elk apparaat waar elektriciteit aan te pas komt. Halfgeleiders hebben hierin een gigantische plaats ingenomen en zijn nu met GaN weer een hele stap aan het zetten.

[Reactie gewijzigd door LaMoS op 7 oktober 2025 13:51]

[cmpxchg]

Niet de meest sexy tak van de sport, maar wel een die terug te vinden is in quasi elk apparaat waar elektriciteit aan te pas komt. Halfgeleiders hebben hierin een gigantische plaats ingenomen en zijn nu met GaN weer een hele stap aan het zetten.

Powerelectronica en GaN is zeker sexy hoor, ook in het geval van AI en GPU accelerators, waar dit ook gebruikt wordt. Bij dat soort chips en modules heb je piekstromen van honderden amperes, onder de 1 volt, die binnen honderden nanoseconden kunnen optreden.

Eerste stap is multi-phase DC/DC converters, zoals dat al jaren op moederborden en GPUs word toegepast. Als je 8 of 16 phases hebt kun je nog verder gaan door de schakelfrequentie met GaN te verhogen, en de inductors kleiner te maken.

Maar AI/GPUs willen minder MLCCs dicht bij de dies, en in plaats daarvan die ruimte zoveel mogelijk gebruiken voor local-memory en compute density, want dat geeft de beste latency van de compute performance.

De oplossing op het bordje van de power-electronica engineer is dan iets minder (grote, 'laagfrequent') MLCCs op de module, en de upstream voeding een nog grotere regel-bandbreedte geven - zowel analoog als digitaal. De DC/DC conversie kan met GaN boven de 1 MHz schakelfrequentie, en met parallel 8, 12 of 16 of 32 fase-shifts via twee kanten van de GPU - 2 andere kanten kunnen dan voor IO worden gebruikt.

Daar zijn ook speciale power-inductors voor, elke fase een single-turn kleine ferriet-inductor, soms maar een enkele wikkeling, nanoHenries - maar wel met een gekoppelde 2e inductor binnen hetzelfde ferriet - een mini-trafo. Tezamen kunnen deze 16/32 gekoppelde inductors/trafo's via het lokale gedeelte magneetische koppeling een snellere step-response garanderen, ook voor de inductor die er vlak naast zit, die kan meeliften en 'meevoelen' dat er een spannigsdip aan zit te komen die in enkele tientallen nanoseconden gecompenseerd moet worden.

[RobertMe]

GaN wordt dus sowieso in adapters gebruikt zoals het artikel ook al stelt. Met 230V in zit je dan dus boven die 100V. Output is uiteraard wel een stuk lager (ik ken het alleen van USB adapters dus met PD maximaal 20V).

Maar de 650V zal uiteraard niet snel een toepassing in een gewoon huis(houden) hebben lijkt mij zo.

[laurxp]

Driefase elektrische kookplaat of autolader?

Zonnepanelen moeten uitschakelen op 253V, dus op een zonnige dag heb je in een woonwijk een fase-fase spanning van 438V. Doe daar een piekje bij door schakelen, en je gaat al flink richting de 500V. Gooi d'r wat veiligheidsmarge op, en een mosfet die ontworpen is voor 600V is niet eens een héél gek idee!

[N8w8]

De stroom uit het stopcontact is _gemiddeld_ 230V*, in werkelijkheid zijn de pieken 325V.
Dat is zowel positief als negatief, dus in totaal levert dat een bereik op van 650V.
Zal wel geen toeval zijn dat ze precies daarop mikken?
Dus ja, mss toch wel genoeg toepassingen daarvoor in het gewone huishouden.

* ja, gemiddeld 0V, thank you Sheldon

[Reactie gewijzigd door N8w8 op 7 oktober 2025 17:08]

[Immutable]

Thuisbatterijen en Zonnepanelen. Daarnaast in de toekomst misschien het hele huis DC in plaats van AC waarbij deze GanFet's enorm grote rol zullen spelen.

[vanaalten]

650 volt, dan zit je richting de spanning van bijvoorbeeld elektrische auto's/vrachtauto's (hoogspanningsaccu). Dus elektronica voor on-board chargers bijvoorbeeld?

[Reactie gewijzigd door vanaalten op 7 oktober 2025 13:45]

[Immutable]

Waarom niet voor elektrische auto's? Deze hadden eerst IGBT's maar zijn al over grotendeels naar SiC Mosfet's. Volgende stap is GanFET's omdat ze nog minder schakelverliezen hebben. Daarom nog kleinere componenten met nog minder verliezen. En gaan ook vaak langer mee de componenten.

[Blokker_1999]

Zelfs de 240V uit je stopcontact is gewoon laagspanning. We hebben geen hoogspanning of middenspanning in huis. Dat wil niet zeggen dat het een veilige spanning is.

Van wat ik in het verleden gelezen heb wordt GaN vooral ingezet voor vermogenelektronica. Denk bijvoorbeeld de aandrijving in een EV. Dan hebben we het al snel over spanningen richting de 800V die vaak op zeer hoge snelheid geschakeld moeten worden om een correct vermogen te leveren aan de motoren. En dat gebeurt alweer sinds de jaren '90 met IGBTs die het mogelijk maken om de schakeling met een zeer beperkt vermogen ook terug uit te zetten.

En dan kan je dus al snel tot enkele honderden kW komen aan vermogen, op laagspanning.

[R_Zwart]

De eerste vraag die wij op de HTS kregen was: wat is een lage spanning? Iedereen had het fout 😁

[Navi]

Laagspanning is elektrische stroom tot een niveau van maximaal 1.000 volt (wisselspanning) of 1.500 volt (gelijkspanning)

In een 'gewoon' huishouden komt er overigens via krachtstroom 400V binnen, in de praktijk iets daarboven.

[Reactie gewijzigd door Navi op 7 oktober 2025 13:47]

[Makkerman]

GaN is interessant voor power transistors die noodzakelijk zijn voor bijvoorbeeld het snelladen van auto's (GaN heeft een zeer hoge breakdown voltage). Maar ook voor rf applicaties (denk aan lidar) omdat GaN transistors ~10x sneller kunnen switchen dan standard si mosfets. Daarnaast zijn ze ook een flink stuk kleiner, wat ook weer positief is.

https://epc-co.com/epc/gallium-nitride/why-gan

Uit persoonlijke ervaring kan ik je vertellen dat het process wel een stuk complexer is. KLA en Veeco hadden twee jaar geleden al grote plannen voor een productie procede, maar dat werd toen in de ijskast gezet vanwege een matige yield prognose.

[Reactie gewijzigd door Makkerman op 7 oktober 2025 15:54]

[Coolstart]

GaN-transistoren zijn supersnelle, efficiënte elektronische schakelaars gemaakt van galliumnitride in plaats van silicium.Ze zijn efficiënter in omzetting van netspanning naar bijv. batterijspanning. Ideaal voor EV-laders en omvormers. Ook geschikt voor datacenter-voedingen (kleiner en krachtiger), 5G-antennes en radar.

Nu ik er over nadenk, al deze tech zouden zouden we perfect hier kunnen fabriceren.

[Reactie gewijzigd door Coolstart op 7 oktober 2025 16:51]

[Malantur]

Ik ben zelf ook niet zo in de wereld thuis maar GaN wordt tegenwoordig vaak gebruikt in snelladers voor laptop en gsm (dus efficiënt hoge stromen regelen met spanningen van 5 tot 20V). Als ik dan honderden volts hoor dan kom ik uit bij de vermogensturing van inverters voor zonnepanelen en thuisbatterijen en wellicht ook elektrische auto's en dergelijke.

[cold_as_ijs]

Zou mooi zijn als er Europese producenten van power transistors zouden aansluiten. Met de elektrificatie die plaats moet vinden in Europa is het belangrijk om dit soort zaken ook in Europa te kunnen produceren tegen een concurrerende prijs. Momenteel zijn er nog geen Europese partijen aangesloten, dus hopelijk gaat dit veranderen.

[Snake_Y_]

Een jaar geleden was er zelfs een Fab in Oudenaarde die deze chips ontwikkelde (wel 200mm). Maar toen geen investeerder meer vond...

nieuws: Belgische chipmaker BelGaN vindt geen geschikte koper en sluit zijn deuren