新一代單片式整合氮化鎵芯片 升級功率電路性能

 在這篇文章里，imec氮化鎵電力電子研究計(jì)劃主持人Stefann Decoutere探討在200V GaN-on-SOI智能功率芯片（IC）平臺上，整合高性能蕭基二極管與空乏型高電子遷移率晶體管（HEMT）的成功案例。

該平臺以p型氮化鎵（GaN）HEMT制成，并成功整合多個(gè)GaN組件，將能協(xié)助新一代芯片擴(kuò)充功能與升級性能，推進(jìn)GaN功率IC的全新發(fā)展。同時(shí)提供DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器所需的開發(fā)動能，進(jìn)一步縮小組件尺寸與提高運(yùn)作效率。

電力電子半導(dǎo)體的最佳解答：氮化鎵（GaN）
過去幾十年來，金氧半場效晶體管（MOSFET）與其他場效晶體管等硅基功率晶體管一直是電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展支柱，能將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC），或是將直流電從低壓轉(zhuǎn)為高壓，反之亦然。在探索具備更優(yōu)異開關(guān)性能的替代方案時(shí)，氮化鎵（GaN）在所有先進(jìn)的候選材料中快速崛起。

氮化鎵或氮化鋁鎵（AlGaN）的復(fù)合材料能提供更高的電子遷移率與臨界電場，結(jié)合HEMT的晶體管結(jié)構(gòu)，就能打造新一代的組件與芯片，提升擊穿強(qiáng)度與開關(guān)速度，降低電導(dǎo)損耗（conductance loss），縮小尺寸，勝過其他的半導(dǎo)體材料。


 
圖一 : 由imec開發(fā)的200V GaN-on-SOI功率芯片技術(shù)與組件示意圖。該制程整合了增強(qiáng)型或空乏型HEMT、蕭基二極管、電阻器、電容器，并運(yùn)用多個(gè)先進(jìn)模塊制造，例如深信道隔離（deep trench isolation）、基板接點(diǎn)（substrate contact）、重布線層（redistribution layer）等。

目前，絕大多數(shù)的GaN功率系統(tǒng)都是由多個(gè)芯片組成。這些氮化鎵組件在整合至印刷電路板（PCB）以前都是獨(dú)立組件，制程中會產(chǎn)生寄生電感，降低組件性能。

imec氮化鎵電力電子研究計(jì)劃主持人Stefaan Deoutere解釋：「以驅(qū)動器為例，當(dāng)多個(gè)獨(dú)立晶體管的驅(qū)動器被置于不同芯片時(shí)，驅(qū)動器輸出級與晶體管輸入級之間會產(chǎn)生大量的寄生電感，半橋電路中間的交換節(jié)點(diǎn)也會深受其害。」

「以氮化鎵（GaN）制成的高電子遷移率晶體管（HEMT）具備超高速的開關(guān)能力，如果不去抑制寄生電感，就會導(dǎo)致振鈴現(xiàn)象（ringing），也就是干擾訊號的不良振蕩。最佳的解決方案是進(jìn)行驅(qū)動器與HEMT的單片式整合，不僅能避免寄生現(xiàn)象的發(fā)生，還能最大程度地運(yùn)用GaN組件的優(yōu)異開關(guān)性能?！顾赋觥?br/>
他繼續(xù)說道：「同時(shí)，還能縮短半橋電路晶體管之間的停滯時(shí)間（dead-time control），晶體管就不需要在另一個(gè)晶體管開啟時(shí)長時(shí)間處于暫時(shí)關(guān)閉狀態(tài)。在等待不同晶體管切換開關(guān)的期間，電源與接地之間會出現(xiàn)短路，或稱停滯時(shí)間。而在單一芯片上整合所有組件就能解決振鈴問題、縮短停滯時(shí)間，最終提升目標(biāo)轉(zhuǎn)換器的功耗。」

空乏型HEMT的共整合（co-integration）組件
在單片整合技術(shù)方面，imec現(xiàn)已取得豐碩的研發(fā)進(jìn)展，在單一的絕緣層上覆硅（silicon-on-insulator；SOI）基板上，成功整合像是驅(qū)動器、半橋電路與控制／保護(hù)電路。如今，該研究團(tuán)隊(duì)在單片式整合的組件組合中新增了兩大熱門組件：空乏型HEMT與蕭基二極管。



 
圖二 : 在200mm GaN-on-SOI基板上制成的高壓功率組件截面圖，由左至右：（1）增強(qiáng)型P型GaN HEMT組件（2）空乏型金絕半晶體管（MIS）與HEMT組件（3）蕭基二極管。上述組件的前段制程結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)線層皆包含金屬場板，并以介電層相隔。

為了發(fā)揮GaN功率芯片的最大性能，開發(fā)P型信道的解決方案仍是最主要的挑戰(zhàn)，目標(biāo)是采用GaN制造P型信道組件，并確保其具備一定性能?；パa(bǔ)式金氧半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)透過P型與N型場效晶體管運(yùn)作，兩種組件相互輔助且對稱成雙，使得電洞與電子能夠自由遷移。

然而，氮化鎵組件的電子遷移率大約是電洞遷移率的60倍，而硅基組件僅僅相差兩倍。也就是說，以電洞為主要載子的P型信道會比N型信道還要大上60倍，而且效率非常低。最常見的替代方案是以電阻器取代P型MOS組件，RTL電路也被用于GaN芯片，但是必須在開關(guān)速度與功耗之間取舍。

Decoutere博士指出：「我們在SOI基板上將空乏型HEMT整合到功能性增強(qiáng)型HEMT平臺上，實(shí)現(xiàn)了GaN芯片的性能升級。其中，增強(qiáng)型（e-mode）與空乏型組件（d-mode）分別代表源極電壓為零時(shí)電路的開啟（ON）與關(guān)閉（OFF）狀態(tài)，能夠控制晶體管產(chǎn)生或不產(chǎn)生電流。藉由全新的電路設(shè)計(jì)，把RTL電路變成直接耦合的FET邏輯電路，我們預(yù)期將能提升開關(guān)速度，并減少電路的功率消耗?！?br/>
減少漏電的蕭基二極管
透過整合蕭基二極管，氮化鎵功率芯片的電源效率就能進(jìn)一步提升。與硅基二極管相比，蕭基二極管能在電路開啟且具備相同的電阻情況下承受更高的電壓，或是在相同的崩潰電壓下降低電路開啟時(shí)的電阻。

「制造蕭基二極管的挑戰(zhàn)是以低電壓開啟電路時(shí)，還要減少漏電。不幸的是，若想要實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電壓，勢必會面臨能障（barrier）較小而導(dǎo)致難以控制漏電的問題。蕭基二極管的漏電流可是出了名的高得嚇人?！笵ecoutere博士接著說明：「imec開發(fā)了具備專利的閘極邊緣終止型蕭基二極管（Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode；GET-SBD）結(jié)構(gòu)，可以在約為0.8V的低導(dǎo)通電壓下，有效地降低漏電流，與傳統(tǒng)的氮化鎵蕭基二極管相差百倍以上?！?br/>


 
圖三 : 閘極邊緣終止型蕭基二極管的組件特性：（左圖）當(dāng)溫度為25℃時(shí)，該組件具備0.91V的低導(dǎo)通電流（右圖）在25℃與150℃的溫度環(huán)境下評估兩種不同的陽極場板配置，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，該組件具備2nA/mm的低逆漏電流。

快速開關(guān)與高壓
氮化鎵是高功率應(yīng)用的必用材料，因?yàn)槠渑R界電壓，也就是能促使晶體管進(jìn)入崩潰狀態(tài)的運(yùn)作條件，是硅材的10倍。此外，在低功率應(yīng)用上，氮化鎵因?yàn)榫邆涓训拈_關(guān)速度，也能勝過硅材。

Stefaan Decoutere表示：「我們開發(fā)的氮化鎵芯片能有助于設(shè)計(jì)出更小尺寸、更高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器。舉例來說，智能型手機(jī)、平板或筆電全都內(nèi)建不同芯片，分別以不同電壓運(yùn)作，因此需要AC/DC轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行充電，還要內(nèi)建PoL轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同電壓。這些組件不僅具備開關(guān)，還有變壓器、電容器和電感器，所以晶體管的開關(guān)速度越快，這些組件就能設(shè)計(jì)得越小，進(jìn)而在相同功率下實(shí)現(xiàn)更加緊湊與低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。」

他進(jìn)一步分析，目前商機(jī)最大的氮化鎵市場是快速充電器，接著是服務(wù)器、汽車與可再生能源應(yīng)用的電源供應(yīng)系統(tǒng)?？梢韵胍?，以氮化鎵材料制成的電源供應(yīng)組件更能展現(xiàn)系統(tǒng)級的高可靠度，不僅縮小了尺寸與重量，還能減少物料需求，進(jìn)而降低成本。

未來研發(fā)：垂直整合組件
Decoutere博士表示：「我們將會持續(xù)改良現(xiàn)有平臺的性能，進(jìn)一步進(jìn)行可靠度測試。該平臺目前提供200V與650V的原型組件，很快就會開放100V的規(guī)格。就性能而言，具備更高功率的1200V氮化鎵芯片所能達(dá)到的升級可能有限。畢竟電路電壓變高時(shí)，要驅(qū)動那些整合的組件運(yùn)作也會變慢，所以可能并不需要在芯片上整合驅(qū)動器，后續(xù)仿真會提供我們驗(yàn)證?！?br/>
「同時(shí)，我們也在探索1200V獨(dú)立組件的替代方案，如此一來，氮化鎵技術(shù)就能用于電動車等超高功率應(yīng)用。目前氮化鎵組件采用的主流晶體管架構(gòu)是橫向拓?fù)洌╨ateral topolgy），每個(gè)組件包含源極、閘極與汲極三個(gè)端子，全都在同個(gè)基板的表面上，因此產(chǎn)生橫向電場，分布于所有的氮化鎵緩沖層，以及部分的后段制程結(jié)構(gòu)，例如金屬導(dǎo)線與氧化層?！?br/>
他補(bǔ)充說明：「在垂直堆棧的組件中，源極與閘極位處表面，而汲極在堆棧的底層。在此情況下，電場會貫穿整座堆棧，而源極與汲極之間的間距會決定組件崩潰電壓的大小，間距越寬，通道就越不容易進(jìn)入崩潰狀態(tài)?！?br/>
他最后總結(jié)，在平面的拓樸結(jié)構(gòu)下，源極與汲極相距越遠(yuǎn)，組件尺寸就越大。由于1200V功率組件的芯片太過龐大，采用橫向結(jié)構(gòu)時(shí)，通常會建議最高電壓為650V。相較之下，采用垂直結(jié)構(gòu)的組件可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，因?yàn)樵礃O與汲極位于堆棧的頂層與底層，所以可以增加磊晶厚度，而讓芯片面積維持不變。