Imec 展示了高性能肖特基勢壘二極管和耗盡型 （d-mode） 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 在基于 p 型氮化鎵 （GaN） HEMT 的 200-V GaN- 上的成功共集成。在 200 毫米基板上開發(fā)的 on-SOI 智能功率集成電路 （IC） 平臺。

這些組件的結合允許構建具有更高功能和性能的芯片，將單片集成 GaN 功率 IC 提升到一個新的水平。據(jù) Imec 稱，這一成就為更小、更高效的 DC/DC 和負載點轉換器鋪平了道路。

“d 模式 HEMT 通過用 DCFL ［直接耦合 FET 邏輯］ 替換 RTL ［電阻器/晶體管邏輯］ 的反相功能來改進邏輯/模擬功能，這改善了反相柵極的上拉特性，”說Imec GaN 技術項目總監(jiān) Stefaan Decoutere 在接受 EE Times 采訪時表示。“其背景是 GaN 中沒有好的 p 溝道器件 ［與電子相比，空穴的遷移率大約低 60 倍］，因此像 CMOS 中的互補邏輯是不現(xiàn)實的。低壓肖特基二極管提供額外的片上功能，例如電平轉換和鉗位。高壓功率肖特基二極管可用于改善低邊開關的第三象限運行［更好的電源效率］。”

根據(jù) Decoutere 的說法，下一個目標是使這個擴展的 GaN IC 平臺達到高度成熟度，并將其用于原型設計和工藝轉移。在 200 毫米上開發(fā)它的好處是它更便宜。“雖然直到幾年前 GaN-on-Si ［硅基氮化鎵］ 是在更小直徑的晶圓 ［4 英寸和 6 英寸］ 上加工的，但越來越多的晶圓廠已將其 GaN 技術轉移到 200 毫米或將其安裝在200 毫米晶圓廠，”Decoutere 說。

他補充說，大直徑 GaN-on-Si 襯底的挑戰(zhàn)在于襯底的機械穩(wěn)定性，因為 GaN/AlGaN 層的熱膨脹系數(shù)與下面的襯底之間存在很大的不匹配。“但通過適當設計緩沖液，例如使用超晶格緩沖液和改進的 MOCVD 沉積工具，這種機械穩(wěn)定性問題已經(jīng)得到解決，使得在 200 毫米襯底上加工 GaN 成為可能。”

氮化鎵 HEMT

近年來，GaN HEMT 因其廣泛的應用而受到廣泛關注，其中包括從高頻功率放大器到電力電子系統(tǒng)中使用的高壓器件的各種應用。該行業(yè)目前正專注于在硅基襯底上開發(fā) GaN HEMT，以降低成本并將 GaN 與硅基組件集成。另一方面，直接開發(fā) GaN-on-Si 面臨缺陷密度高的問題，這會降低性能、可靠性和良率。由于 GaN 和 Si 之間的晶格和熱失配，缺陷經(jīng)常在 GaN/Si 異質界面處形成。

GaN HEMT 具有出色的 R DS（on）和品質因數(shù)值。FOM 可以比超級結場效應晶體管 （FET） 低 4 倍至 10 倍，具體取決于電壓和電流額定值。因此，GaN 非常適合高頻應用。當使用具有低 R DS（on）值的 GaN HEMT 時，傳導損耗會降低，效率會提高。

GaN HEMT 中沒有反向恢復電荷，因為它們缺少固有的體二極管。這些器件表現(xiàn)出取決于柵極電壓的可變特性，并且固有地能夠反向傳導。由于不需要反并聯(lián)二極管，因此反向傳導能力在系統(tǒng)級優(yōu)于典型 IGBT。通過消除反向恢復損耗，GaN 即使在高開關頻率下也能實現(xiàn)高效運行。

司機

驅動 GaN 比驅動 MOSFET 更困難，因為它需要更快的開啟和關閉時間（這意味著更高的 dV/dt），以及更低且更嚴格控制的柵極開啟電壓。優(yōu)化柵極環(huán)路電感、電源電感、柵極電阻以及漏極和源極電感是在 PCB 級驅動 GaN 的關鍵問題。設計人員應專注于柵極驅動器 IC 級的死區(qū)時間控制、dV/dt 抗擾性、負源電壓和柵極過充電。柵極驅動器高端和低端之間的對稱性是一個重要特性，因為它實現(xiàn)了小于 1ns 的延遲匹配，從而減少了死區(qū)時間。

IMEC的研究

目前，GaN 電力電子器件仍以由產(chǎn)生開關信號的外部驅動器 IC 驅動的分立元件為主。但是，有一種情況可以充分利用 GaN 提供的快速開關速度，從而還將驅動器功能集成到單片解決方案中。

由于缺乏具有可接受性能的 GaN p 溝道器件，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。CMOS 技術使用對稱的 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。這意味著間隙為主要載流子的 p 溝道器件將比其 n 溝道器件大 60 倍，而且效率極低。一種流行的替代方法是用 RTL 代替 P-MOS，但要在切換時間和功耗之間進行權衡（圖 1 和圖 2）。

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圖 1：在 200 毫米 GaN-on-SOI 襯底上制造的高壓元件的工藝橫截面：（a） e 模式 pGaN-HEMT （b） d 模式 MIS HEMT，和 （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。

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圖 2：切割的 GaN 晶圓

Imec 通過結合 e-mode 和 d-mode HEMT 器件提高了性能。根據(jù) Decoutere 的說法，在 SOI 上擴展 e-mode HEMT 功能平臺與共同集成的 d-mode HEMTS 可以提高電路的速度并降低電路的功耗。共同集成到 GaN 功率 IC 中的另一個關鍵組件是肖特基勢壘二極管。肖特基 GaN 二極管比硅二極管具有更高的阻斷電壓和更低的開關損耗。它們的集成使 Imec 轉向基于 GaN 的智能功率 IC。據(jù) Imec 稱，GaN IC 平臺可通過我們的多項目晶圓服務進行原型設計，并準備好轉讓給合作伙伴。目標是開發(fā)和發(fā)布用于高壓電源開關和轉換應用的 650V 版本平臺，