在 2021 年國際電子器件會議 (IEEE IEDM 2021) 上，世界領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究和創(chuàng)新中心 imec 展示了高-性能肖特基勢壘二極管和耗盡型 HEMT 在基于 p-GaN HEMT 的 200 V GaN-on-SOI 智能功率集成電路 (IC) 平臺上開發(fā)，該平臺在 200 mm 襯底上開發(fā)。添加這些組件可以設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展功能的芯片并提高性能，從而使單片集成 GaN 功率 IC 更進(jìn)一步。這一成就為更小、更高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器鋪平了道路。

今天，GaN 電力電子設(shè)備仍然由分立元件主導(dǎo)，這些分立元件由產(chǎn)生開關(guān)信號的外部驅(qū)動器 IC 驅(qū)動。然而，為了充分利用快速開關(guān)速度，GaN 建議采用單片集成功率器件和驅(qū)動器功能。Imec 已經(jīng)成功展示了半橋和驅(qū)動器與控制和保護(hù)電路的單片協(xié)同集成，這是在一個芯片中集成全 GaN 功率 IC 的關(guān)鍵。

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來解決 GaN 中缺乏具有可接受性能的 p 溝道器件的問題。CMOS 技術(shù)使用互補(bǔ)且更對稱的 p 型和 n 型場效應(yīng)晶體管 (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。這意味著以空穴為主要載流子的 p 溝道器件將比 n 溝道器件大 60 倍，而且效率極低。一種廣泛使用的替代方法是用電阻器代替 P-MOS。電阻晶體管邏輯 (RTL) 已用于 GaN IC，但在開關(guān)時間和功耗之間表現(xiàn)出權(quán)衡。

“我們通過結(jié)合使用增強(qiáng)型和耗盡型開關(guān)（稱為 e-mode 和 d-mode HEMTS）提高了 GaN IC 的性能。通過在 SOI 上擴(kuò)展我們的功能性 e-mode HEMT 平臺和共同集成的 d-mode HEMTS，現(xiàn)在我們可以從 RTL 邁向直接耦合 FET 邏輯，這有望提高速度并降低電路的功耗， ”imec GaN 電源系統(tǒng)項(xiàng)目總監(jiān) Stefaan Decoutere 說。

該解決方案通過掩埋氧化物和氧化物填充的深溝槽隔離，基于imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術(shù)平臺實(shí)現(xiàn)功率器件、驅(qū)動器和控制邏輯的電流隔離。這種隔離方案不僅消除了對半橋的高側(cè)開關(guān)產(chǎn)生負(fù)面影響的有害反向選通效應(yīng)，而且還降低了干擾控制電路的開關(guān)噪聲。通過設(shè)計(jì)用于驅(qū)動高側(cè)開關(guān)的共同集成電平轉(zhuǎn)換器，避免重疊柵極輸入波形的死區(qū)時間控制器以及片上脈沖寬度調(diào)制電路，可以制造高度集成的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。

另一個在 GaN 功率 IC 上進(jìn)行協(xié)同集成的關(guān)鍵組件是肖特基勢壘二極管。與硅對應(yīng)物相比，GaN 肖特基二極管結(jié)合了更高的阻斷電壓和更低的開關(guān)損耗。

“我們已經(jīng)成功擴(kuò)展了我們的 200 V GaN-on-SOI e-mode HEMT GaN IC 平臺，采用單片集成的高性能肖特基勢壘二極管和 d-mode HEMT，這使我們更接近基于 GaN 的智能功率 IC。這個 GaN-IC 平臺可通過我們的多項(xiàng)目晶圓 (MPW) 服務(wù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，”Stefaan Decoutere 補(bǔ)充道?！拔覀兊钠脚_已準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)讓給合作伙伴。我們正在尋找代工廠，但也尋找設(shè)計(jì)公司和最終用戶。下一步將是開發(fā)和發(fā)布該平臺的 650 伏版本。GaN-on-SOI 技術(shù)的目標(biāo)應(yīng)用包括高壓電源開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換、手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的快速充電器、電動汽車的車載充電器以及太陽能電池板連接到電網(wǎng)的逆變器?！?