Innovation durch kurze Entwicklungszyklen: Beschleunigung der GaN-Einführung durch durchgängiges Design und Validierung

Jedes wichtige Halbleitermaterial hat denselben Entwicklungsprozess durchlaufen, bevor es den Massenmarkt erreichte: von der anfänglichen Entwicklung über die schrittweise Weiterentwicklung bis hin zum endgültigen Einsatz. Als erstes war es Silizium, dann folgten Galliumarsenid (GaAs) und Siliziumgermanium (SiGe), und nun durchlaufen Materialien mit großer Bandlücke denselben Weg.

Heute macht Galliumnitrid (GaN) diesen Schritt insbesondere in power . Was GaN auszeichnet, ist, dass es dank seiner Eigenschaften als Material mit großer Bandlücke und seiner hohen Elektronenbeweglichkeit schneller schalten und effizienter arbeiten kann als die Materialien, die es ersetzt, ohne dabei nennenswerte Einbußen bei power hinnehmen zu müssen. Dies zeigt sich bereits an Orten, an denen man es nicht unbedingt erwarten würde, wie zum Beispiel beim Ladegerät auf Ihrem Schreibtisch, bei Motorantrieben in der Robotik und bei den power , die KI-Server versorgen.

Andererseits wird das Tempo der Einführung nicht allein von der technologischen Reife bestimmt – insbesondere in einer Zeit, in der rasante Fortschritte in den Bereichen KI und Elektrifizierung den Fokus zunehmend auf Geschwindigkeit lenken. Traditionelle Halbleiterentwicklungsmodelle, bei denen die foundry die Plattform foundry und die Kunden erst danach einbezogen werden, führen oft zu fragmentierten Arbeitsabläufen, verzögertem Feedback und Erkenntnissen in späten Entwicklungsphasen. Diese Ineffizienzen verlangsamen die Integration, erhöhen das Risiko und erfordern einen anderen Ansatz dafür, wie Geräte von der Entwicklung bis zur Anwendung gelangen.

Ein „Short-Loop“-Ansatz für die GaN-Entwicklung

Um diesem Problem zu begegnen, verfolgt GlobalFoundries einen anderen Ansatz: ein Entwicklungsmodell mit kurzen Zyklen, das Technologieentwicklung, Design, Validierung, Zuverlässigkeit und Anwendungsbewertung in einen eng verzahnten, iterativen Zyklus integriert. Dieses Modell, das unter anderem durch die Übernahme von Tagore Technology im Jahr 2024 ermöglicht wurde, rückt das Know-how im Produktdesign in den Mittelpunkt der Plattformentwicklung und ermöglicht es den Teams, bereits früh im Zyklus effektiv „in die Rolle des Kunden zu schlüpfen“.

„Da GaN den Sprung von Nischenanwendungen hin zur breiten Markteinführung schafft, gewinnen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zunehmend an Bedeutung“, sagte Amitava Das, VP Research & Development, Power GF. „Unser ‚Short-Loop‘-Entwicklungsmodell bündelt Design, Validierung und Zuverlässigkeit in einem eng verzahnten Zyklus, wodurch wir Herausforderungen früher bewältigen und unseren Kunden eine ausgereiftere, anwendungsbereite Plattform bereitstellen können.“

Wie sieht das in der Praxis konkret aus? Unser „Short-Loop“-Entwicklungsmodell simuliert während der Entwicklungsphase reale Anwendungsfälle und Belastungssituationen, um Lücken frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Auf diese Weise können sich die Kunden bei der Einführung der Technologie ganz auf die Differenzierung konzentrieren, anstatt sich mit grundlegenden Herausforderungen auseinandersetzen zu müssen.

Die Lücke zwischen Wafer-Tests und der Leistung im Praxiseinsatz schließen

Dieser Ansatz spiegelt sich in verschiedenen Dimensionen der Entwicklung wider. Während sich traditionelle Tests auf Wafer-Ebene beispielsweise auf grundlegende Bauteilparameter konzentrieren, sind die Bauteile in realen Anwendungen komplexen Bedingungen wie Soft- und Hard-Switching ausgesetzt. Durch die Einbeziehung von Elementen dieser anwendungsbezogenen Belastungen in die Tests auf Wafer-Ebene werden die Rückkopplungsschleifen erheblich verkürzt, was ein schnelleres Lernen und eine schnellere Iteration ermöglicht, ohne auf vollständige Verpackungszyklen warten zu müssen.

Dieser integrierte Ansatz trägt auch dazu bei, eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung von GaN – nämlich die Zuverlässigkeit – zu bewältigen.

Verbesserung der GaN-Zuverlässigkeit durch integrierte Entwicklung

GaN bringt eine breitere Palette an Zuverlässigkeitsherausforderungen mit sich, die weniger stark standardisiert sind. Hier wird der Vorteil einer integrierten Entwicklung deutlich. Interne Teams mit Erfahrung auf Produktebene können Bauteile nicht nur gemäß etablierten Standards qualifizieren, sondern auch gezielte Methoden entwickeln, um technologiespezifische Probleme anzugehen und so die Konvergenz in Bereichen zu beschleunigen, in denen sich der Branchenkonsens noch in der Entwicklung befindet.

Einbeziehung realer Verhaltensweisen in die Gerätemodellierung

Die Gerätemodellierung spiegelt zudem die tatsächliche Leistung in der Praxis immer besser wider. Durch die Erstellung und Kapselung produktähnlicher Implementierungen können Ingenieure Geräte unter realistischen Betriebsbedingungen bewerten und parasitäre Effekte, layoutbedingte Abweichungen sowie andere Einflüsse bereits in einer viel früheren Entwicklungsphase erkennen.

Ein Weg in die Zukunft für GaN

Es ist wichtig zu beachten, dass es bei diesem Modell nicht darum geht, die Rolle des Kunden bei der Innovation zu ersetzen, sondern darum, die Anzahl der technischen Tape-outs vor der Produktion zu reduzieren. Durch die interne Lösung dieser grundlegenden technologischen und integrationsbezogenen Herausforderungen erreicht die Plattform einen ausgereifteren Reifegrad, wodurch sich die Kunden auf differenzierte System- und Anwendungsdesigns konzentrieren können.

Da GaN immer breitere Anwendung findet, hängt der Erfolg nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch von den dahinterstehenden Entwicklungsmodellen. Durch die frühzeitige Einbindung von Design, Validierung und Anwendung in den Prozess erhalten Teams die nötige Geschwindigkeit und Sicherheit, um neue Technologien effizienter in die Produktion zu überführen.