Forskningsinstitutet imec har genomfört en lyckad samintegrering av högpresterande Schottky-barriärdioder och depletion-mode HEMT:er på en p-GaN HEMT-baserad 200 V GaN-on-SOI-plattform för integrerade kretsar utvecklad på 200 mm substrat. Resultaten redovisades på årets International Electron Devices Meeting (IEEE IEDM 2021).
Att integrera dessa komponenter möjliggör utvecklingen av kretsar med utökad funktionalitet och högre prestanda som enligt imec tar monolitiskt integrerade GaN-effektkretsar ett steg längre och kan användas för mer effektiva DC/DC- och Point-of-Load-omvandlare.
Idag domineras GaN-kraftelektroniken fortfarande av diskreta komponenter som styrs av en extern driv-IC som genererar omkopplingssignalerna. Men för att dra full nytta av den snabba omkopplingsshastigheten som GaN erbjuder rekommenderas monolitisk integration av kraft- och drivenheter. Imec har redan framgångsrikt demonstrerat den monolitiska samintegreringen av en halvbrygga och drivenhet med styr- och skyddskretsar, som är nyckeln till en integrerad all-GaN-krets i ett chip.
Ett av de största hindren för att öka den fulla prestandan hos GaN kraft-ICs är fortfarande att hitta en lämplig lösning för bristen på p-kanalsenheter i GaN med acceptabla prestanda. CMOS-teknik använder komplementära och mer symmetriska par av p- och n-typ fälteffekttransistorer (FET), baserade på rörligheten för hål och elektroner för båda typerna av FET. Men i GaN är rörligheten för hål ungefär 60 gånger sämre än för elektroner. Det betyder att en p-kanalsenhet, där hålen är de huvudsakliga laddningsbärarna, skulle vara 60 gånger större än n-kanalsmotsvarigheten och mycket mer ineffektiv. Ett utbrett alternativ är att ersätta P-MOS med ett motstånd. Resistor-Transistor Logic (RTL) har använts för GaN-IC:er men ger avvägningar mellan omkopplingstid och strömförbrukning.
– Vi har förbättrat prestandan hos GaN IC:er genom att använda en kombination av enhancement-mode och utarmningslägesswitchar, kallade e-mode och d-mode HEMTS. Genom att utöka vår funktionella e-mode HEMT-plattform på SOI med samintegrerade d-mode HEMTS, kan vi nu ta steget från RTL till direktkopplad FET-logik, vilket förväntas förbättra hastigheten och minska effektförlusten hos kretsarna, säger Stefaan Decoutere, programchef för GaN power systems på imec.
En annan kritisk komponent för samintegration på GaN-strömkretsar är en Schottky-barriärdiod. GaN Schottky-dioder kombinerar högre blockeringsspänningar med minskade kopplingsförluster, jämfört med sina motsvarigheter i kisel.
– Vi har framgångsrikt utökat vår 200 V GaN-on-SOI e-mode HEMT GaN ICs-plattform med monolitiskt integrerade högpresterande Schottky-barriärdioder och d-mode HEMTs, vilket tar oss ett steg närmare smarta kraft-ICs baserade på GaN. Denna GaN-IC-plattform är tillgänglig för prototypframställning genom vår multi-project-wafer-tjänst (MPW), säger Stefaan Decoutere.
– Vår plattform är redo för överföring till partners. Vi söker foundries, men även designhus och slutanvändare. Nästa steg är att utveckla och släppa en 650-volts version av plattformen. Målapplikationer för GaN-on-SOI-teknik inkluderar högspänningsströmbrytare och effektomvandling, snabbladdare för mobiltelefoner, surfplattor och bärbara datorer, och inbyggda laddare för elbilar och växelriktare för anslutning av solpaneler till elnätet.
