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向單芯片的GaN器件進軍

日期:2022-03-22 來源:半導體行業(yè)觀察閱讀:262
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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。 
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