納米電子和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心 Imec 在 2021 年國際電子器件會(huì)議（IEEE IEDM 2021）上展示了其最新研究成果。通過在基于 p 型氮化鎵 （GaN） HEMT 的 200-V GaN-on-SOI smart 上共同集成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 200 毫米基板上開發(fā)的功率集成電路 （IC） 平臺(tái)，可以構(gòu)建具有更多功能和性能的芯片。這將單片集成 GaN 功率 IC 提升到一個(gè)新的水平，并為更小、更高效的 DC/DC 和負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)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(jìn)邏輯/模擬功能，這改善了反相柵極的上拉特性，”說Imec GaN 技術(shù)項(xiàng)目總監(jiān) Stefaan Decoutere 在接受 EE Times 采訪時(shí)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(bǔ)邏輯是不現(xiàn)實(shí)的。低壓肖特基二極管提供額外的片上功能，例如電平轉(zhuǎn)換和鉗位。高壓功率肖特基二極管可用于改善低邊開關(guān)的第三象限運(yùn)行［更好的電源效率］。”

根據(jù) Decoutere 的說法，下一個(gè)目標(biāo)是使這個(gè)擴(kuò)展的 GaN IC 平臺(tái)達(dá)到高度成熟度，并將其用于原型設(shè)計(jì)和工藝轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)移到 200 毫米或?qū)⑵浒惭b在200 毫米晶圓廠，”Decoutere 說。

他補(bǔ)充說，大直徑 GaN-on-Si 襯底面臨的挑戰(zhàn)是襯底的機(jī)械穩(wěn)定性，因?yàn)?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(dāng)設(shè)計(jì)緩沖液，例如使用超晶格緩沖液和改進(jìn)的 MOCVD 沉積工具，這種機(jī)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

GaN 是一種寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體，在許多以前由 Si 基元件主導(dǎo)的功率應(yīng)用中獲得了吸引力。高效率、在比硅更高的開關(guān)頻率和溫度下工作的能力以及微小的占位面積只是使這種 WBG 材料能夠處理最苛刻的電源應(yīng)用要求的幾個(gè)特性。

近年來，GaN HEMT 因其廣泛的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)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(yīng)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(huì)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(zhì)界面處形成。

GaN HEMT 具有出色的 R DS（on）和品質(zhì)因數(shù)值。FOM 可以比超級(jí)結(jié)場效應(yīng)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(yīng)用。當(dāng)使用具有低 R DS（on）值的 GaN HEMT 時(shí)，傳導(dǎo)損耗會(huì)降低，效率會(huì)提高。

GaN HEMT 中沒有反向恢復(fù)電荷，因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙俟逃械捏w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(dǎo)。由于不需要反并聯(lián)二極管，因此反向傳導(dǎo)能力在系統(tǒng)級(jí)優(yōu)于典型 IGBT。通過消除反向恢復(fù)損耗，GaN 即使在高開關(guān)頻率下也能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng) GaN 比驅(qū)動(dòng) MOSFET 更困難，因?yàn)樗枰斓拈_啟和關(guān)閉時(shí)間（這意味著更高的 dV/dt），以及更低且更嚴(yán)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(jí)驅(qū)動(dòng) GaN 的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)人員應(yīng)專注于柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 級(jí)的死區(qū)時(shí)間控制、dV/dt 抗擾性、負(fù)源電壓和柵極過充電。柵極驅(qū)動(dòng)器高端和低端之間的對(duì)稱性是一個(gè)重要特性，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了小于 1ns 的延遲匹配，從而減少了死區(qū)時(shí)間。

IMEC的研究

目前，GaN 電力電子器件仍以由產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)的外部驅(qū)動(dòng)器 IC 驅(qū)動(dòng)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(guān)速度，從而還將驅(qū)動(dòng)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(shù)使用對(duì)稱的 p 型和 n 型 FET 對(duì)，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(shí)間和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡（圖 1 和圖 2）。

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。

Imec 通過結(jié)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(kuò)展 e-mode HEMT 功能平臺(tái)與共同集成的 d-mode HEMT 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(gè)關(guān)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(guān)損耗。它們的集成使 Imec 轉(zhuǎn)向基于 GaN 的智能功率 IC。據(jù) Imec 稱，GaN IC 平臺(tái)可通過我們的多項(xiàng)目晶圓服務(wù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)讓給合作伙伴。目標(biāo)是開發(fā)和發(fā)布用于高壓電源開關(guān)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用的 650V 版本平臺(tái)，以及用于手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的快速充電器。

審核編輯：郭婷