原文鏈接：https://www.imec-int.com/en/articles/monolithic-integration-gan-components-boosts-power-integrated-circuits
幾十年來，硅基功率晶體管（MOSFET、場效應晶體管）構成了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的支柱，可將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)，反之亦然，或?qū)⒅绷麟姀牡蛪恨D(zhuǎn)換為高壓。在尋求可以提高開關速度的替代品時，氮化鎵 (GaN) 迅速成為領先的候選材料之一。GaN/AlGaN 材料體系表現(xiàn)出更高的電子遷移率和更高的擊穿臨界電場。結合高電子遷移率晶體管 (HEMT) 架構，與同類硅解決方案相比，它使器件和 IC 具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更低的電導損耗和更小的占位面積。
IMEC 200V GaN-on-SOI 功率 IC 技術和組件的橫截面示意圖。該工藝具有 E/D 模式 HEMT、肖特基二極管、電阻器、電容器的單片共集成，并包括先進的工藝模塊（深溝槽隔離、襯底接觸、再分布層......）
今天，大多數(shù) GaN 電源系統(tǒng)由多個芯片組成?；?GaN 的器件在組裝到印刷電路板上之前作為分立元件組裝。這種方法的缺點是存在影響器件性能的寄生電感。“以驅(qū)動器為例，在單獨的芯片上帶有驅(qū)動器的分立晶體管受到驅(qū)動器輸出級和晶體管輸入之間以及半橋開關節(jié)點之間的寄生電感的影響。GaN HEMT 具有非常高的開關速度，當寄生電感未被抑制時，這會導致振鈴（ringing），即信號的不希望的振蕩。減少寄生效應和利用 GaN 卓越開關速度的最佳方法是將驅(qū)動器和 HEMT 集成在同一芯片上，”來自IMEC的Stefaan Decoutere 解釋道。
“同時，它減少了半橋中兩個晶體管之間的死區(qū)時間控制，其中一個晶體管必須在另一個晶體管打開時關閉。在這期間，電源和地之間存在短路，或死區(qū)時間。在芯片上集成所有組件將解決振鈴問題，減少死區(qū)時間，并最終提高轉(zhuǎn)換器的電源效率。”
d 模式 HEMT 的共集成
Imec 已經(jīng)在絕緣體上硅 (SOI) 基板上單片集成構建塊（例如驅(qū)動器、半橋和控制/保護電路）取得了巨大進展。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)成功地在產(chǎn)品組合中添加了兩個廣受歡迎的組件：d 模式（耗盡模式）HEMT 和肖特基二極管。
在 200 mm GaN-on-SOI 襯底上制造的高壓組件的工藝橫截面 (a) e 模式 pGaN-HEMT (b) d 模式 MIS-HEMT，(c) 肖特基勢壘二極管。所有器件都包括基于前端和互連金屬層并由介電層隔開的金屬場板
提高 GaN 功率 IC 的全部性能的主要障礙之一仍然是尋找合適的解決方案來解決 GaN 中缺乏具有可接受性能的 p 溝道器件的問題。CMOS 技術使用互補且更對稱的 p 型和 n 型 FET 對，基于兩種 FET 的空穴和電子遷移率。然而，在 GaN 中，空穴的遷移率比電子的遷移率差 60 倍左右；在硅中，這只是 2 倍。這意味著以空穴為主要載流子的 p 溝道器件將比 n 溝道對應器件大 60 倍，而且效率極低。一種廣泛使用的替代方法是用電阻器代替 P-MOS。電阻晶體管邏輯 (RTL) 已用于 GaN IC，但在開關時間和功耗之間表現(xiàn)出權衡。
“我們通過在 SOI 上的功能性 e-mode HEMT 平臺上共同集成 d-mode HEMTS，提高了 GaN IC 的性能。增強和耗盡模式是指在零源電壓下的 ON（d 模式）或 OFF（e 模式）狀態(tài)，導致晶體管中的電流流動（或不流動）。我們期望從 RTL 向直接耦合 FET 邏輯邁出一步將提高速度并降低電路的功耗，”Stefaan Decoutere 說。
具有低泄漏電流的肖特基二極管
肖特基勢壘二極管的集成進一步提高了 GaN 功率 IC 的功率效率。與硅二極管相比，它們可以在相同的導通電阻下承受更高的電壓，或者在相同的擊穿電壓下承受更低的導通電阻。“制造肖特基勢壘二極管的挑戰(zhàn)是獲得低導通電壓和低泄漏水平。不幸的是，當您瞄準較低的導通電壓時，您最終會遇到一個小的屏障來阻止泄漏電流。肖特基二極管因漏電流高而臭名昭著。與傳統(tǒng) GaN 肖特基勢壘二極管相比，Imec 專有的柵極邊緣端接肖特基勢壘二極管架構 (GET-SBD) 可實現(xiàn)約 0.8 伏的低開啟電壓，同時將漏電流降低幾個數(shù)量級,
制造的 GET-SBD 的特性顯示（左）在 25°C 下以半對數(shù)刻度顯示 0.91V 的低開啟電壓，以及（右）兩種不同陽極的低反向漏電流（25°C 時為 2 nA/mm）在 25 和 150°C 下評估的場板配置。
快速開關和高電壓
GaN 是高功率應用的首選材料，因為導致晶體管擊穿的臨界電壓（擊穿電壓）比硅高 10 倍。但對于低功率應用，GaN 仍然具有優(yōu)于硅的優(yōu)勢，因為它具有出色的開關速度。“我們創(chuàng)建的基于 GaN 的 IC 為更小、更高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和負載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器開辟了道路。例如，智能手機、平板電腦或筆記本電腦包含可在不同電壓下工作的芯片，因此它們需要 AC/DC 轉(zhuǎn)換器來為電池充電，并需要設備內(nèi)部的 PoL 轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同的電壓。這些組件不僅包括開關，還包括變壓器、電容器和電感器。晶體管開關速度越快，這些組件就越小，
Stefaan Decoutere：“快速充電器構成了當今 GaN 的最大市場，其次是用于服務器、汽車行業(yè)和可再生能源的電源。預計使用 GaN 的電源在系統(tǒng)級更可靠。它們的外形尺寸和重量更小，從而減少了材料清單，從而降低了成本。
正在研究的垂直設備
“我們將專注于提高現(xiàn)有平臺的性能，并進行進一步的可靠性測試。我們目前提供用于原型設計的 200V 和 650V 平臺，很快就會推出 100V。對于具有集成組件的 GaN-IC，1200V 大功率平臺可能不會產(chǎn)生顯著的改進。電壓越高，組件變得越慢。因此，可能沒有必要在芯片上集成驅(qū)動程序；模擬會告訴我們。”
“與此同時，我們正在尋找分立 1200V 器件的替代品，使 GaN 技術能夠用于電動汽車等最高電壓功率應用。具有橫向拓撲的晶體管是當今占主導地位的 GaN 器件架構。這些器件的三個端子（源極、柵極和漏極）位于同一平面的表面，因此電場是橫向的，跨越 GaN 緩沖層和部分后端（金屬化、氧化物）。在垂直器件中，源極和柵極位于表面，而漏極位于外延疊層的底部。在這種情況下，電場流過整個堆棧。決定器件擊穿電壓的是源漏分離，較大的分離可以保護通道不被擊穿。然而，橫向放置的源極和漏極之間的距離越大，器件越大。因為 1200V 設備的芯片會變得太大，橫向架構通常建議最高 650V。相反，對于垂直器件，使用更高的電壓歸結為創(chuàng)建更厚的外延堆疊，因為源極和漏極位于堆疊的不同端。芯片的表面積沒有增加，”Stefaan Decoutere 總結道。
