本文分析了高性能肖特基勢壘二極管和 D 型 HEMT 在基于 p-GaN HEMT 的 200-V GaN-on-SOI 智能功率 IC 平臺上的成功協(xié)同集成。這些組件的添加使芯片設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展的功能和更高的性能，使單片集成 GaN 功率 IC 更進(jìn)一步。這一成就為更小、更高效的DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 PoL 轉(zhuǎn)換器 鋪平了道路。
GaN：電力電子領(lǐng)域的硅解決方案
幾十年來，基于硅的功率晶體管（如 MOSFET）構(gòu)成了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主干，可將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)，反之亦然，或者將直流電從低壓轉(zhuǎn)換為高壓，反之亦然。在尋求可以提高開關(guān)速度的替代品時(shí)，氮化鎵迅速成為領(lǐng)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(jié)合高電子遷移率晶體管 (HEMT) 架構(gòu)，與同類硅解決方案相比，它使器件和 IC 具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度、更低的電導(dǎo)損耗和更小的占位面積。
今天，大多數(shù) GaN 電源系統(tǒng)由多個(gè)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(diǎn)是存在影響器件性能的寄生電感。
以司機(jī)為例。在單獨(dú)的芯片上帶有驅(qū)動(dòng)器的分立晶體管受到驅(qū)動(dòng)器輸出級和晶體管輸入之間以及半橋開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的寄生電感的影響。GaN HEMT 具有非常高的開關(guān)速度，當(dāng)寄生電感未被抑制時(shí)，這會導(dǎo)致振鈴——信號的不希望的振蕩。減少寄生效應(yīng)并利用 GaN 卓越的開關(guān)速度的最佳方法是將驅(qū)動(dòng)器和 HEMT 集成在同一芯片上。
同時(shí)，它減少了半橋中兩個(gè)晶體管之間的死區(qū)時(shí)間控制，其中一個(gè)晶體管必須在另一個(gè)晶體管打開時(shí)關(guān)閉。在這期間，電源和地之間存在短路，或死區(qū)時(shí)間。在片上集成所有組件將解決振鈴問題、減少死區(qū)時(shí)間并最終提高轉(zhuǎn)換器的電源效率。
D-Mode HEMT 的協(xié)同集成
Imec 已經(jīng)在絕緣體上硅 (SOI) 基板上單片集成構(gòu)建塊（例如驅(qū)動(dòng)器、半橋和控制/保護(hù)電路）取得了巨大進(jìn)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(gè)廣受歡迎的組件：耗盡型 (D-mode) HEMT 和肖特基二極管。
在 200 毫米 GaN-on-SOI 襯底上制造的高壓組件的工藝橫截面：
（a）E 型 p-GaN HEMT；(b) D 型 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是找到合適的解決方案，以解決 GaN 中缺乏具有可接受性能的 p 溝道器件的問題。CMOS 技術(shù)使用互補(bǔ)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大約 60 倍；在硅中，這只有 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(yīng)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(guān)時(shí)間和功耗之間表現(xiàn)出權(quán)衡。
Imec 通過在其 SOI 上的功能增強(qiáng)模式 (E-mode) HEMT 平臺上共同集成 D 模式 HEMTS，提高了 GaN IC 的性能。增強(qiáng)和耗盡模式是指在零源電壓下的開啟（D 模式）或關(guān)閉（E 模式）狀態(tài)，導(dǎo)致晶體管中有電流流動(dòng)（或不流動(dòng)）。Imec 預(yù)計(jì)從 RTL 到直接耦合 FET 邏輯的步驟將提高速度并降低電路的功耗。
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(jìn)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(dǎo)通電阻下承受更高的電壓或在相同的擊穿電壓下承受更低的導(dǎo)通電阻。
制造肖特基勢壘二極管的挑戰(zhàn)是獲得低導(dǎo)通電壓，同時(shí)獲得低泄漏水平。不幸的是，當(dāng)您瞄準(zhǔn)較低的導(dǎo)通電壓時(shí)，您最終會遇到一個(gè)小的屏障來阻止泄漏電流，而肖特基二極管因泄漏電流高而臭名昭著。與傳統(tǒng) GaN 肖特基勢壘相比，Imec 專有的柵極邊緣端接肖特基勢壘二極管架構(gòu) (GET-SBD) 可實(shí)現(xiàn)約 0.8 V 的低開啟電壓，同時(shí)將漏電流降低幾個(gè)數(shù)量級二極管。
快速開關(guān)和高電壓
GaN 是大功率應(yīng)用的首選材料，因?yàn)橐鹁w管擊穿的臨界電壓（擊穿電壓）比硅高 10 倍。但由于其卓越的開關(guān)速度，GaN 在低功率應(yīng)用中仍然比硅具有優(yōu)勢。
imec 創(chuàng)建的基于 GaN 的 IC 為更小、更高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器開辟了道路。例如，智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦包含在不同電壓下工作的芯片，需要 AC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池充電，設(shè)備內(nèi)部需要 PoL 轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生不同的電壓。這些組件不僅包括開關(guān)，還包括變壓器、電容器和電感器。晶體管的開關(guān)速度越快，這些組件就會變得越小，最終在相同功率下產(chǎn)生更緊湊和低成本的系統(tǒng)。
快速電池充電器構(gòu)成了當(dāng)今 GaN 的最大市場，其次是用于服務(wù)器、汽車行業(yè)和可再生能源的電源。預(yù)計(jì)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(shè)備
Imec 將專注于提高現(xiàn)有平臺的性能并進(jìn)行進(jìn)一步的可靠性測試。該公司目前提供用于原型設(shè)計(jì)的 200-V 和 650-V 平臺，不久之后將推出 100V。對于具有集成組件的 GaN IC，1,200-V 大功率平臺可能不會產(chǎn)生顯著改進(jìn)。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(dòng)程序；模擬將證實(shí)這一點(diǎn)。
Imec 還在尋找分立 1,200-V 器件的替代品，為電動(dòng)汽車等最高電壓電源應(yīng)用啟用 GaN 技術(shù)。具有橫向拓?fù)涞木w管是當(dāng)今占主導(dǎo)地位的 GaN 器件架構(gòu)。這些器件的三個(gè)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(gè)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(hù)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。由于用于 1,200 V 設(shè)備的芯片會變得太大，因此通常建議橫向架構(gòu)最高達(dá)到 650 V。相反，對于垂直器件，使用更高的電壓歸結(jié)為創(chuàng)建更厚的外延堆疊，因?yàn)樵礃O和漏極位于堆疊的不同端。芯片的表面積不會增加。
下載文檔
