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Dr. Alex Lidow ist CEO und Mitgründer von EPC in El Segundo, Kalifornien
GaN auf dem Vormarsch: die Forschung, zum Beispiel das Fraunhofer IAF, geht voran, Hersteller, wie EPC, folgen. Für das Material sprechen hohe Taktfrequenzen, niedrige Leitungsverluste und der Einsatz bei hohen Temperaturen.

Efficient Power Conversion wurde Ende 2007 gegründet. Geben Sie uns einen kurzen Rückblick.

EPC wurde im November 2007 von drei Ingenieuren gegründet, die zusammen auf einen 60-jährigen Erfahrungsschatz im Bereich Powermanagement kommen. Uns war klar, dass Silizium seine Grenzen bezüglich der Performance erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt war Galliumnitrid ein möglicher Kandidat, um Silizium zu ersetzen. Allerdings waren die Herausforderungen, wie hohe Kosten und Leistungsfähigkeit, enorm. Dennoch haben wir uns dafür ausgesprochen, GaN-Bausteine zu entwickeln, die bisherige Leistungsmosfets kostengünstig ersetzen können. Im Sommer 2009 konnten wir dann mit unseren eGaN die ersten kommerziellen GaN-FETs auf Silizium liefern, die in einer low-cost CMOS-Foundry in Taiwan hergestellt wurden. Damit sich unsere eGaN-FETs leicht einsetzen lassen, verhalten sich diese Bausteine fast wie Silizium-basierte Leistungsmosfets. EPC hat 12 Bausteine eingeführt, die Applikationen bis zu 200 Volt abdecken. Ende 2011 wollen wir unser Produktportfolio auf 600-Volt-Versionen aufstocken. Danach werden wir daran arbeiten, 900- und 1200-Volt-Bausteine zu entwickeln, sowie ICs, die auf der eGaN-Technologie basieren.

Welche Applikationen wollen Sie damit ansprechen?

Unsere Zielmärkte wachsen schnell. Schlüsselapplikationen sind Spannungsregler, wie Point-of-Load-Wandler, Power-over-Ethernet, DC/DC-Wandler, HF-Übertragung, Solar-Micro-Umrichter, Satelliten-Powersysteme oder Class-D-Audio-Amplifier. EPC hat bereits jetzt über 250 Kunden, die für ihre Produkte unsere eGaN-FETs einsetzen. Kurzfristig sehen wir auch eine große Nachfrage in der Leistungsfaktorkorrektur, bei Netzteilen und Motion-Control.

In Applikationen, in denen ein hoher Wirkungsgrad, nied­riger Platzbedarf oder hohe Frequenzen eine wichtige Rolle spielen, werden eGaN-FETs herkömmliche Leistungsmosfets wohl schnell ersetzen. Wir wollen als Erste die bisherigen Grenzen niederreißen und Entwicklern mehr Möglichkeiten bieten, als es sie mit Silizium gibt.

Welche Richtung schlagen Sie mit EPC ein?

Efficient Power Conversion hat es sich als Ziel gesetzt, herkömmliche Leistungsmosfets und IGBTs weitestgehend durch eGaN-FETs zu ersetzen. Davon ausgehend, wollen wir diese Technologie im Marktsegment analoge und digitale Powermanagement Controller-ICs zum Einsatz bringen.

Welche wirtschaftlichen Ziele haben Sie sich dieses Jahr gesetzt?

Wir fertigen in einer Standard-CMOS-Foundry in Taiwan und haben so relativ niedrige Kosten. Das heißt, dass wir bereits heute in der Lage sind, profitabel gegen herkömmliche Leistungsmosfets in großen Stückzahlen anzutreten. Wir erwarten dieses Jahr, dass einige unserer Hauptkunden mit unseren Bausteinen in Produktion gehen, die in ihren Industriebereichen für Highlights sorgen werden. Unser wirtschaftliches Ziel ist es, diese Bausteine erfolgreich zu etablieren – was hier auch immer für Mühen nötig sein werden – und gleichzeitig einen akzeptablen Gewinn zu erzielen.

Ihre Einschätzung des europäischen und amerikanischen ­Leistungselektronikmarkts.

Der europäische und amerikanische Leistungselektronikmarkt hat sich während der letzten zehn Jahre stark verändert. Die Elektronikfertigung hat sich hauptsächlich nach Asien verlagert, allerdings bleiben die Designaktivitäten in Europa und den USA. Darum haben wir Application-Engineers, die mit den Kunden in Europa und den Staaten eng an eGaN-FET-basierten Designs mit zusätzlicher Hilfe bei Logistik und Produktion in Taiwan und China arbeiten. Darüber hinaus haben wir mit Digi-Key einen Distributor an der Hand, der es sich auf die Fahne geschrieben hat, innerhalb von 48 Stunden nach Bestellung zu liefern.

China holt im Bereich Leistungselektronik auf. Sind die Chinesen bereits als ernsthafte Konkurrenz für Europa und Amerika zu sehen?

Der chinesische Leistungselektronikmarkt wird dieses Jahr seine stärkste Wirtschaftsrate erfahren, einmal durch den Konsum der eigenen Bevölkerung, der unterstützt wird durch den nach China verlagerten Fertigungstrend von Amerika und Europa. Ein anderer Punkt ist die wachsende Designexpertise, die es chinesischen Unternehmen erlaubt, eigene Produkte für den Export zu entwickeln. EPC hat bereits ein Netzwerk aus Verkaufs-Support und technischem Support in China und Taiwan aufgebaut, um die dortigen Anforderungen zu unterstützen. Im Vergleich zu unseren früheren Erfahrungen im Leistungselektronikmarkt verfügen viele chinesische und taiwanesische Ingenieure nicht nur über fachliche Expertise, sondern auch über die Motivation, moderne Technologien, wie eGaN, zu adoptieren.

2011 werden China und Taiwan zusammen nach den USA unsere größte Einnahmequelle sein; 2012 könnten sie sogar die Staaten überholen. Allerdings werden Europa und die Staaten weiterhin führend sein, wenn es darum geht, die GaN-Technologie für Lösungen zu pushen, die sich mit Silizium nicht realisieren lassen.

Die Themen Nachhaltigkeit und Energieeinsparung führen zur Diskussion Galliumnitrid versus Siliziumkarbid. Warum setzt EPC auf GaN anstelle von SiC?

Bedingt durch den hohen Bandabstand lassen sich sowohl Galliumnitrid als auch Siliziumkarbid für Leistungstransistoren nutzen, die Leistungsmosfets und IGBTs leistungsmäßig erheblich übertreffen. GaN hat jedoch den Vorteil, dass man es auf einen großen Standard-Silizium-Wafer wachsen lassen kann. Günstigere Herstellungskosten im Vergleich zu anderen Verfahren, eine mögliche Dotierbarkeit und die auf Si-Substraten existierende, weit fortgeschrittene Mikroelektronik sprechen für GaN-on-Si. Zudem können die Wafer in hohen Stückzahlen kostengünstig in Silizium-Wafer-Fabs produziert werden, so dass sich GaN-on-Si-basierte Leistungsbausteine nicht hinter Leistungsmosfets aus Silizium verstecken brauchen. Kosten-Wettbewerbsfähigkeit ist zwar eine notwendige Bedingung, aber nicht die alles ausschlaggebende für die Entscheidung pro Wide-Bandgap-Technologien.

Ist Silizium bereits am Ende seines Weges angekommen?

30 Jahre Erfahrung im Umgang mit Silizium-basierten Leistungsmosfets haben uns gelehrt, dass es vier Schlüsselvariablen gibt, die Unternehmen beeinflussen, ob sie eine Technologie annehmen oder nicht.

1. Leistungsvermögen

Was können die neuen Bausteine besser als die herkömmlichen? eGaN-FETs sind aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften von GaN schneller und haben weniger Leitungsverluste als Silizium-basierte Leistungsmosfets und IGBTs. Damit können Designer die Taktfrequenz und die Leistungsdichte ihrer Produkte erheblich steigern.

2. Leichte Nutzbarkeit

Unsere eGaN-FETs funktionieren wie Si-Leistungsmosfets mit zwei Ausnahmen. Zum einen haben sie eine viel niedrigere Eingangskapazität und eine maximale Gatespannung. Dadurch bringen sie von Hause aus ein besseres ESD- und Überspannungs-Verhalten (Gate) mit. Zum anderen haben sie ein besseres Frequenzverhalten als Mosfets und IGBTs, so dass sich effizientere Designs mit einer niedrigen parasitären Kapazität und niedrigen Widerständen realisieren lassen. Das Resultat ist keine unerwünschten Tran­sienten. Ende des Jahres werden eGaN-FET-Anwender auch Teiber-ICs kaufen können.

3. Zuverlässigkeit

EPC und andere Hersteller GaN-basierter Leistungshalbleiter haben mehrere Zuverlässigkeits­reports veröffentlicht, die hier nachzulesen sind. Diese Reports veranschaulichen, dass man eGaN-FETs sicher in vielen kommerziellen Applikationen einsetzen kann.

4. Kosteneffizienz

Kostenvergleiche zwischen Produkten, die auf unterschiedlichen Technologien basieren, können leicht in die Irre führen. Darüber hinaus spiegeln sich die Kosten nicht immer im reinen Produktpreis wider, wenn die Balance zwischen Angebot und Nachfrage nicht stimmig ist. Weil sich der Markt für GaN-basierte Leistungstransistoren noch ganz am Anfang der Entwicklung befindet, ist hier ein Kostenvergleich mit Silizium-basierten Leistungsmosfets angebracht. Die Produktionskosten bestehen aus den Elementen Ausgangsmaterial, Epitaxial-Wachstum, Wafer-Herstellung, Test und Fertigung

Wie wirkt sich das auf die Kosten aus?

Weil eGaN-FETs auf Standard-Silizium-Wafern in einer Standard-CMOS-Foundry gefertigt werden, kann man sagen, dass die Kosten von Ausgangsmaterial, Wafer-Herstellung sowie Test und Fertigung gleich – wenn nicht sogar niedriger sind als die für Si-basierte Leistungsmosfets und IGBTs. Das Epitaxial-Wachstum ist das einzige Kostenelement, wo eGaN-FETs tatsächlich schlechter abschneiden. Allerdings bin ich auch hier der Ansicht, dass diese Hürde schnell fallen wird. Das Verfahren der Epitaxie von GaN auf Si-Substraten ist eine ausgereifte Technologie mit vielen Unternehmen, die das Ganze hoch-effizient machen und automatisierte Maschinen nutzen. MOCVD-GaN-Produktionsanlagen sind von zwei Quellen verfügbar. Die eine ist Veeco in den Staaten, die andere Aixtron in Deutschland. Beide stellen zuverlässige Maschinen für das Wachstum der GaN-Epitaxie her, hauptsächlich für den LED-Gebrauch. Keine der Maschinen sind für eine GaN-on-Si-Epitaxie optimiert oder haben den entsprechenden Automatisierungsgrad, der für Siliziummaschinen üblich ist. Das macht eine GaN-on-Si-Epitaxie sicherlich teurer als heutige Si-Epitaxien. Allerdings ist das nicht fundamental. Prozesszeiten und -temperaturen, Waferdurchmesser, Materialkosten und Maschinenproduktivität befinden sich alle in Entwicklung, so dass die jetzigen Grenzen bald durchbrochen werden sollten. Innerhalb der nächsten paar Jahre, und bei einer entsprechenden Annahme von Galliumnitrid, denke ich, dass sich die Kosten anpassen werden.

EPC und International Rectifier haben als eine der Ersten GaN-on-Si-basierende Leistungshalbleiter in den Markt eingeführt, die sich zum Beispiel für DC/DC-Wandler eignen. Wie lässt sich diese Vorreiterposition erklären?

Kürzlich hat ein weiteres kalifornisches Unternehmen – Trans­phorm – angekündigt, dass es dieses Jahr GaN-basierende Leistungstransistoren auf den Markt bringen wird. Damit können Anwender aus drei Quellen schöpfen. Ich denke, dass führende Hersteller im Bereich Galliumnitrid vorwärtsstrebende Unternehmen mit einem stark technologisch geprägten Hintergrund sind. IR hat die Leistungsmosfet-Technologie entwickelt und damit den Bi­polar­transistor ersetzt. Somit hat das Unternehmen bereits Erfahrungen darin, eine Technologie durch eine andere zu ersetzen. Es ist nur natürlich, dass IR jetzt das gleich mit GaN machen will.

Transphorm beschäftigt Mitarbeiter, die von IR gekommen sind, und Absolventen der University of California in Santa Barbara (UCSB). Die UCSB hat den Weg in der GaN-Technologie für LEDs und HF-Applikationen bereitet und daher einen exzellenten Hintergrund, um diese Technologie in der Leistungselektronik zu unterstützen. Ich bin mir ziemlich sicher, dass wir drei bald von anderen Playern unterstützt werden, wenn sich herausstellt, dass Galliumnitrid einen Ersatz für den sieben Milliarden schweren US-Leistungsmosfet-und-IGBT-Markt ist. In der Zwischenzeit haben wir uns überlegt, mit der in Südkalifornien ansässigen geballten GaN-Expertise, die Region in GaN-Beach umzubenennen.

Erneuerbare Energien sind beispielsweise ein Applikationsbereich für Wide-Bandgap-Halbleiter. Welchen Herausforderungen muss sich hier der Entwickler stellen?

Die größten aufkommenden Powermanagement-Märkte im Bereich erneuerbare Energien sind Solar und Windkraft. Beide sind Zielmärkte für eGaN-FETs, allerdings kann unser gegenwärtiges Produktportfolio nur den Solarbereich abdecken. Solarwechselrichter für Massenmärkte entwickeln sich schnell von zentralisierten Umrichtern in Micro-Umrichter, wo jedes Solarpanel über einen eigenen intelligenten DC/AC-Wandler verfügt. Mit dem Trend nach kompakten Leichtgewichten kommt auch die Anforderung nach hoher Leistungsdichte und hoher Energieeffizienz. Das sind zwei Eigenschaften, mit denen eGaN-FETs im Vergleich zu Silizium-Leistungsmosfets glänzen. Ein ausgezeichnetes Leitvermögen und effizientes Schaltverhalten erhöht den Ertrag des Solarpanels. Hohe Taktfrequenzen machen außerdem kleinere und leichtere Micro-Umrichter möglich.

Ein anderes Einsatzfeld für GaN-basierte ­Leistungshalbleiter ist E-Mobilität…

Der E-Mobility-Powermanagement-Markt wächst gerade sehr schnell aufgrund des riesigen Bedarfs an kabellosen Bandbreiten. Die Nachfrage nach Smartphones und Video-on-Demand und damit nach mehr Base-Stations mit 4G- und WiMax-Fähigkeiten, sowie nach Micro-, Pico- und Femto-Stationen, nimmt stetig zu. Diese Produkte benötigen viele HF-Komponenten und sind power-sensitiv. eGaN-FETs beseitigen beide Probleme, weil sie mit niedrigen Leitungsverlusten und hohen Taktfrequenzen punkten.