Galliumnitrid auf dem Weg zu Mainstream-Anwendungen

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Produktionsausbeuten von typischerweise über 98%

GaN auf SiC wurde bisher hauptsächlich von Boutique 3” und 100-mm-Verbundhalbleiterfabs produziert. Der volumenstärkste Anwendungsbereich für Verbundhalbleiter waren bisher Mobiltelefone, welche heutzutage aufgrund der Kosteneffizienz stark auf CMOS ausweicht. SiC-basiertes GaN hat keine eindeutig festgelegte Roadmap für große Fertigungsanlagen mit hohem Ausstoß, die Kosten für Konsumermärkte attraktiv gestalten können.

Die Verwendung von Silizium versetzt Anbieter auf der anderen Seite in die Lage, zu Großproduktion-Halbleiterwerken überzugehen, die typischerweise einen Produktionsausstoß von mehr als 5000 8-Zoll-Wafer-Starts pro Woche erreichen. Mittels CMOS-Prozesskontrolle sind hier Produktionsausbeuten von typischerweise über 98% erzielbar.

Aufgrund des sehr hohen Produktionsvolumens der Endmärkte, an die CMOS sich richtet, ist die Ausbalancierung von Ertrags- und Kostendynamik von kritischer Bedeutung, was eine Betriebsdisziplin notwendig macht, die bisher in der III-V-Industrie so nicht bekannt war (Anm. der Red.: III und V bezeichnen die Materialien der chemischen Hauptgruppen III und V. Durch deren Kombination entstehen III-V-Verbindungshalbleiter - auch Verbundhalbleiter genannt - mit charakteristischen Eigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit).

Bei voller Ausreifung erwarten wir, dass die GaN auf Si-Kostenstruktur in Mainstream-Siliziumhalbleiter-Fabs gegenüber der heutigen GaN-auf-SiC-Struktur bedeutend niedriger wird. Wie Bild 2 zeigt, ist beim Wechsel von kleinen GaN-Entwicklungsfabs zu 200-mm-Siliziumhalbleiter-Werken eine fast 10-fache Kostenverringerung möglich. Der Kostenvorteil wird noch durch das sehr hohe Fertigungsvolumen eines CMOS-Werks vervielfacht. Um bedeutende GaN-Volumen bei 8-Zoll-Wafern (200 mm) zu erreichen, wird die HF-Nachfrage mit einer GaN-auf-Si-Großproduktion erhöht, die durch den Gleichstrom-Markt angetrieben ist.

Dieser Markt kann bis zu 10-mal größer als der HF- und Mikrowellen-Markt sein. Da bis zu 95% der GaN-Volumeneinheiten bei GaN auf Si gebunden bleiben, werden sowohl Gleichstrom- als auch HF-Domänen sehr wahrscheinlich von denselben 8-Zoll-Siliziumhalbleiter-Werken beliefert.

Um das kommerzielle Versprechen von GaN voll einzulösen, muss in der gesamten GaN-Lieferkette Stabilität und Ausfallsicherheit (ganz zu schweigen von wirtschaftlicher Effizienz) herrschen. Eine zweigleisige Copy-Exact-Lieferkette ist eine zentrale Voraussetzung für risikoarme Anwendungen mit hohem Fertigungsvolumen.

Zur Optimierung der GaN-Lieferkette werden Prozesseffizienz und Kundennachfrage parallel gefördert, deren Abstimmung letztlich bedeutende Kosteneinsparungen für alle Akteure mit sich bringt. Gewinne in der Herstellungsoptimierung führen zu niedrigeren Herstellungs- und Produktkosten, welche wiederum Mengenbedarf nach sich ziehen und so weiter.

Für Systementwickler in der HF- und Mikrowellenindustrie sind diese Dynamiken selbstverständlich keine Neuigkeit, da sie diese Entwicklung bereits im Einsatz mit vorherigen Technologien kennenlernen konnten.

Ein weiterer kritischer Performance- und Kostenfaktor, der für die vollständige Produktlösung berücksichtigt werden muss, sind die Gehäuseoptionen.

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