納米電子和數字技術研究與創新中心 Imec 在 2021 年國際電子器件會議（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 毫米基板上開發的功率集成電路 （IC） 平臺，可以構建具有更多功能和性能的芯片。這將單片集成 GaN 功率 IC 提升到一個新的水平，并為更小、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 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 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 襯底面臨的挑戰是襯底的機械穩定性，因為 GaN/AlGaN 層的熱膨脹系數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，這種機械穩定性問題已經得到解決，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） 半導體，在許多以前由 Si 基元件主導的功率應用中獲得了吸引力。高效率、在比硅更高的開關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用要求的幾個特性。

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中使用的高壓器件的各種應用。該行業目前正專注于在硅基襯底上開發 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 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。由于不需要反并聯二極管，因此反向傳導能力在系統級優于典型 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高效運行。

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。優化柵極環路電感、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，因為它實現了小于 1ns 的延遲匹配，從而減少了死區時間。

IMEC的研究

目前，GaN 電力電子器件仍以由產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）。

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 通過結合 e-mode 和 d-mode HEMT 器件提高了性能。根據 Decoutere 的說法，在 SOI 上擴展 e-mode HEMT 功能平臺與共同集成的 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 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。目標是開發和發布用于高壓電源開關和轉換應用的 650V 版本平臺，以及用于手機、平板電腦和筆記本電腦的快速充電器。

審核編輯：郭婷