Imec 展示了肖特基二极管和耗尽型 HEMT 与 200 V GaN-IC 的成功单片集成

在 2021 年国际电子器件会议 (IEEE IEDM 2021) 上，世界领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心 imec 展示了高-性能肖特基势垒二极管和耗尽型 HEMT 在基于 p-GaN HEMT 的 200 V GaN-on-SOI 智能功率集成电路 (IC) 平台上开发，该平台在 200 mm 衬底上开发。添加这些组件可以设计具有扩展功能的芯片并提高性能，从而使单片集成 GaN 功率 IC 更进一步。这一成就为更小、更高效的 DC/DC 转换器和负载点转换器铺平了道路。

今天，GaN 电力电子设备仍然由分立元件主导，这些分立元件由产生开关信号的外部驱动器 IC 驱动。然而，为了充分利用快速开关速度，GaN 建议采用单片集成功率器件和驱动器功能。Imec 已经成功展示了半桥和驱动器与控制和保护电路的单片协同集成，这是在一个芯片中集成全 GaN 功率 IC 的关键。

提高 GaN 功率 IC 的全部性能的主要障碍之一仍然是寻找合适的解决方案来解决 GaN 中缺乏具有可接受性能的 p 沟道器件的问题。CMOS 技术使用互补且更对称的 p 型和 n 型场效应晶体管 (FET) 对，基于两种 FET 的空穴和电子迁移率。然而，在 GaN 中，空穴的迁移率比电子的迁移率差大约 60 倍。这意味着以空穴为主要载流子的 p 沟道器件将比 n 沟道器件大 60 倍，而且效率极低。一种广泛使用的替代方法是用电阻器代替 P-MOS。电阻晶体管逻辑 (RTL) 已用于 GaN IC，但在开关时间和功耗之间表现出权衡。

“我们通过结合使用增强型和耗尽型开关（称为 e-mode 和 d-mode HEMTS）提高了 GaN IC 的性能。通过在 SOI 上扩展我们的功能性 e-mode HEMT 平台和共同集成的 d-mode HEMTS，现在我们可以从 RTL 迈向直接耦合 FET 逻辑，这有望提高速度并降低电路的功耗， ”imec GaN 电源系统项目总监 Stefaan Decoutere 说。

该解决方案通过掩埋氧化物和氧化物填充的深沟槽隔离，基于imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技术平台实现功率器件、驱动器和控制逻辑的电流隔离。这种隔离方案不仅消除了对半桥的高侧开关产生负面影响的有害反向选通效应，而且还降低了干扰控制电路的开关噪声。通过设计用于驱动高侧开关的共同集成电平转换器，避免重叠栅极输入波形的死区时间控制器以及片上脉冲宽度调制电路，可以制造高度集成的降压和升压转换器。

另一个在 GaN 功率 IC 上进行协同集成的关键组件是肖特基势垒二极管。与硅对应物相比，GaN 肖特基二极管结合了更高的阻断电压和更低的开关损耗。

“我们已经成功扩展了我们的 200 V GaN-on-SOI e-mode HEMT GaN IC 平台，采用单片集成的高性能肖特基势垒二极管和 d-mode HEMT，这使我们更接近基于 GaN 的智能功率 IC。这个 GaN-IC 平台可通过我们的多项目晶圆 (MPW) 服务进行原型设计，”Stefaan Decoutere 补充道。“我们的平台已准备好转让给合作伙伴。我们正在寻找代工厂，但也寻找设计公司和最终用户。下一步将是开发和发布该平台的 650 伏版本。GaN-on-SOI 技术的目标应用包括高压电源开关和电源转换、手机、平板电脑和笔记本电脑的快速充电器、电动汽车的车载充电器以及太阳能电池板连接到电网的逆变器。”