新一代单片式整合氮化镓芯片 升级功率电路性能

 在这篇文章里，imec氮化镓电力电子研究计划主持人Stefann Decoutere探讨在200V GaN-on-SOI智能功率芯片（IC）平台上，整合高性能萧基二极管与空乏型高电子迁移率晶体管（HEMT）的成功案例。

该平台以p型氮化镓（GaN）HEMT制成，并成功整合多个GaN组件，将能协助新一代芯片扩充功能与升级性能，推进GaN功率IC的全新发展。同时提供DC/DC转换器与负载点（POL）转换器所需的开发动能，进一步缩小组件尺寸与提高运作效率。

电力电子半导体的最佳解答：氮化镓（GaN）
过去几十年来，金氧半场效晶体管（MOSFET）与其他场效晶体管等硅基功率晶体管一直是电力转换系统的发展支柱，能将交流电（AC）转换为直流电（DC），或是将直流电从低压转为高压，反之亦然。在探索具备更优异开关性能的替代方案时，氮化镓（GaN）在所有先进的候选材料中快速崛起。

氮化镓或氮化铝镓（AlGaN）的复合材料能提供更高的电子迁移率与临界电场，结合HEMT的晶体管结构，就能打造新一代的组件与芯片，提升击穿强度与开关速度，降低电导损耗（conductance loss），缩小尺寸，胜过其他的半导体材料。


 
图一 : 由imec开发的200V GaN-on-SOI功率芯片技术与组件示意图。该制程整合了增强型或空乏型HEMT、萧基二极管、电阻器、电容器，并运用多个先进模块制造，例如深信道隔离（deep trench isolation）、基板接点（substrate contact）、重布线层（redistribution layer）等。

目前，绝大多数的GaN功率系统都是由多个芯片组成。这些氮化镓组件在整合至印刷电路板（PCB）以前都是独立组件，制程中会产生寄生电感，降低组件性能。

imec氮化镓电力电子研究计划主持人Stefaan Deoutere解释：「以驱动器为例，当多个独立晶体管的驱动器被置于不同芯片时，驱动器输出级与晶体管输入级之间会产生大量的寄生电感，半桥电路中间的交换节点也会深受其害。」

「以氮化镓（GaN）制成的高电子迁移率晶体管（HEMT）具备超高速的开关能力，如果不去抑制寄生电感，就会导致振铃现象（ringing），也就是干扰讯号的不良振荡。最佳的解决方案是进行驱动器与HEMT的单片式整合，不仅能避免寄生现象的发生，还能最大程度地运用GaN组件的优异开关性能。」他指出。

他继续说道：「同时，还能缩短半桥电路晶体管之间的停滞时间（dead-time control），晶体管就不需要在另一个晶体管开启时长时间处于暂时关闭状态。在等待不同晶体管切换开关的期间，电源与接地之间会出现短路，或称停滞时间。而在单一芯片上整合所有组件就能解决振铃问题、缩短停滞时间，最终提升目标转换器的功耗。」

空乏型HEMT的共整合（co-integration）组件
在单片整合技术方面，imec现已取得丰硕的研发进展，在单一的绝缘层上覆硅（silicon-on-insulator；SOI）基板上，成功整合像是驱动器、半桥电路与控制／保护电路。如今，该研究团队在单片式整合的组件组合中新增了两大热门组件：空乏型HEMT与萧基二极管。



 
图二 : 在200mm GaN-on-SOI基板上制成的高压功率组件截面图，由左至右：（1）增强型P型GaN HEMT组件（2）空乏型金绝半晶体管（MIS）与HEMT组件（3）萧基二极管。上述组件的前段制程结构与金属导线层皆包含金属场板，并以介电层相隔。

为了发挥GaN功率芯片的最大性能，开发P型信道的解决方案仍是最主要的挑战，目标是采用GaN制造P型信道组件，并确保其具备一定性能。互补式金氧半导体（CMOS）技术透过P型与N型场效晶体管运作，两种组件相互辅助且对称成双，使得电洞与电子能够自由迁移。

然而，氮化镓组件的电子迁移率大约是电洞迁移率的60倍，而硅基组件仅仅相差两倍。也就是说，以电洞为主要载子的P型信道会比N型信道还要大上60倍，而且效率非常低。最常见的替代方案是以电阻器取代P型MOS组件，RTL电路也被用于GaN芯片，但是必须在开关速度与功耗之间取舍。

Decoutere博士指出：「我们在SOI基板上将空乏型HEMT整合到功能性增强型HEMT平台上，实现了GaN芯片的性能升级。其中，增强型（e-mode）与空乏型组件（d-mode）分别代表源极电压为零时电路的开启（ON）与关闭（OFF）状态，能够控制晶体管产生或不产生电流。藉由全新的电路设计，把RTL电路变成直接耦合的FET逻辑电路，我们预期将能提升开关速度，并减少电路的功率消耗。」

减少漏电的萧基二极管
透过整合萧基二极管，氮化镓功率芯片的电源效率就能进一步提升。与硅基二极管相比，萧基二极管能在电路开启且具备相同的电阻情况下承受更高的电压，或是在相同的崩溃电压下降低电路开启时的电阻。

「制造萧基二极管的挑战是以低电压开启电路时，还要减少漏电。不幸的是，若想要实现低导通电压，势必会面临能障（barrier）较小而导致难以控制漏电的问题。萧基二极管的漏电流可是出了名的高得吓人。」Decoutere博士接着说明：「imec开发了具备专利的闸极边缘终止型萧基二极管（Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode；GET-SBD）结构，可以在约为0.8V的低导通电压下，有效地降低漏电流，与传统的氮化镓萧基二极管相差百倍以上。」



 
图三 : 闸极边缘终止型萧基二极管的组件特性：（左图）当温度为25℃时，该组件具备0.91V的低导通电流（右图）在25℃与150℃的温度环境下评估两种不同的阳极场板配置，当温度为25℃时，该组件具备2nA/mm的低逆漏电流。

快速开关与高压
氮化镓是高功率应用的必用材料，因为其临界电压，也就是能促使晶体管进入崩溃状态的运作条件，是硅材的10倍。此外，在低功率应用上，氮化镓因为具备更佳的开关速度，也能胜过硅材。

Stefaan Decoutere表示：「我们开发的氮化镓芯片能有助于设计出更小尺寸、更高效率的DC/DC转换器与负载点（POL）转换器。举例来说，智能型手机、平板或笔电全都内建不同芯片，分别以不同电压运作，因此需要AC/DC转换器来进行充电，还要内建PoL转换器来产生不同电压。这些组件不仅具备开关，还有变压器、电容器和电感器，所以晶体管的开关速度越快，这些组件就能设计得越小，进而在相同功率下实现更加紧凑与低成本的系统设计。」

他进一步分析，目前商机最大的氮化镓市场是快速充电器，接着是服务器、汽车与可再生能源应用的电源供应系统。可以想见，以氮化镓材料制成的电源供应组件更能展现系统级的高可靠度，不仅缩小了尺寸与重量，还能减少物料需求，进而降低成本。

未来研发：垂直整合组件
Decoutere博士表示：「我们将会持续改良现有平台的性能，进一步进行可靠度测试。该平台目前提供200V与650V的原型组件，很快就会开放100V的规格。就性能而言，具备更高功率的1200V氮化镓芯片所能达到的升级可能有限。毕竟电路电压变高时，要驱动那些整合的组件运作也会变慢，所以可能并不需要在芯片上整合驱动器，后续仿真会提供我们验证。」

「同时，我们也在探索1200V独立组件的替代方案，如此一来，氮化镓技术就能用于电动车等超高功率应用。目前氮化镓组件采用的主流晶体管架构是横向拓扑（lateral topolgy），每个组件包含源极、闸极与汲极三个端子，全都在同个基板的表面上，因此产生横向电场，分布于所有的氮化镓缓冲层，以及部分的后段制程结构，例如金属导线与氧化层。」

他补充说明：「在垂直堆栈的组件中，源极与闸极位处表面，而汲极在堆栈的底层。在此情况下，电场会贯穿整座堆栈，而源极与汲极之间的间距会决定组件崩溃电压的大小，间距越宽，通道就越不容易进入崩溃状态。」

他最后总结，在平面的拓朴结构下，源极与汲极相距越远，组件尺寸就越大。由于1200V功率组件的芯片太过庞大，采用横向结构时，通常会建议最高电压为650V。相较之下，采用垂直结构的组件可以实现更高的电压，因为源极与汲极位于堆栈的顶层与底层，所以可以增加磊晶厚度，而让芯片面积维持不变。