GaN ICs通缉,电动汽车市场

与离散GaN组件电路可以完成工作,但甘完全集成电路仍然是终极目标,因为他们将提供许多优势与硅集成电路相同。

这些好处包括低成本电路占用的比例,减少寄生电阻和电容短互连。此外,改进设备性能允许GaN逻辑地址更多的电路功能,完成系统集成在单一晶片,使同样的熟悉其他半导体市场喜欢的规模经济。

甘大3.4 eV带隙使其击穿电压高于硅、低开关和传导损失。高功率应用,比如电动汽车需要先进的电源管理电路,在氮化镓尚未实现。但材料也适合一些低功率应用程序。甘,占主流的成功在LED照明应用中,它已经被证明是一个具有成本效益的材料生产基地,其他应用程序可以构建。

图1:GaN-on-SOI平台使单片集成设备利用深沟隔离,衬底接触,RDL。来源:Imec

二维电子气体(洞)
氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMTs)不同于硅mosfet在很多重要的方面。在小心控制的碳量函数作为掺杂剂,电荷传输的形成主要取决于一个二维电子气(2度)。拉伸应变之间的界面接口的沃甘,甘导致自发极化区域,和不连续界面的能带结构。电子迁移率高的1500 cm2 / v在极化区域——但低以外的区域,有效地限制运营商在界面附近。

2度形式设备通道。它位于两个板块之间的电容。在耗尽型设备,当顶板-门是正的,它产生一个正电荷在相反的板。负载体(电子)枯竭的通道和积累两个板块,和电导率下降。通常在耗尽型设备。栅电压时电流小于阈值电压。

与增强型设备,相比之下,一个正电荷在门口把电子从p型散装材料进入通道。增强型设备通常。当门电压小于阈值电压,电流。特别是在电力设备,通常在晶体管的使用带来的安全风险,随着当前继续流,即使控制电路失败。增强型设备因为这个原因更可取。

在正常情况下的可用性,通常设备允许逻辑门的实现,增强和耗尽型设备依赖于电子的流动。事实上,虽然增强型设备放置一个p-GaN层门,沃甘之间的障碍,没有p型材料在当前路径,不甘pn结的通道。也没有任何商业上可行的p沟道GaN晶体管。原因是氮化镓空穴迁移率很低,只有10到20厘米2 / v。在12月的IEEE电子器件会议上,Aditya Raj的加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)解释说,一些研究人员已经证明了二维孔气体使用AlInGaN-based垂直。不幸的是,实现足够的电流要求更高的电荷密度,在5 x 10的范围¹³/厘米²。[1]

没有p-GaN设备,CMOS逻辑是不可能的。相反,蒂博Cosnier半导体工艺工程师在Imec,解释说,甘取决于电阻晶体管逻辑电路(RTL)和直接耦合式场效应晶体管逻辑(DCFL)。RTL需要开关时间和静态功耗之间的权衡,由取代电阻有所减轻,耗尽型HEMT DCFL设计。Imec小组报告他们能够生产低泄漏和稳定性良好,逻辑电路操作电压200 v。[2]

电路与离散GaN组件今天表现良好,但甘基础电路提供理想的成本和性能上的优势要按比例缩小的硅CMOS集成电路。为此,制造商正在寻求氮化镓硅片上集成电路的发展。

设计晶片用于隔离和堆频道
氮化镓硅片不仅促进与硅晶体管的集成,但开始发展200毫米过程能力的行业需要支持GaN-only电路。

甘有不同的晶格尺寸和热膨胀特性从硅,这意味着结合一分之二晶片将平当冷却需要一系列的设计缓冲层,厚度控制在纳米,据Stefaan Decoutere,项目负责人在Imec GaN技术。由此产生的晶片有复杂的和重叠的晶格应变场,GaN集成的一个不可避免的方面。载体陷阱,混乱,和其他缺陷可以积累许多内部接口在生成的结构。

图2:高压组件的横断面图显示了增强型GaN HEMT (a),耗尽型MIS HEMT的肖特基势垒二极管(b)和(c)。在200 V和稳定的设备操作建立在200毫米GaN-on-SOI晶片。来源:Imec

一旦过程极其精确的沉积氮化镓和相关化合物的存在,然而,设计超晶格可以扩大图书馆潜在的设备结构。就像硅集成电路制造商正在调查堆叠nanosheet设计增加设备当前,堆放渠道设计可以帮助p-GaN设备达到足够的电流。UCSB加州大学圣巴巴拉分校的小组报告了有前景的结果从一个甘PFET七平行通道,基于magnesium-doped GaN /沃甘超晶格。

而集成多个GaN设备在一个晶片降低互连寄生,重要的是要记住,特别是硅导电衬底。GaN集成增加潜在的相邻设备之间交互和相声。良好的电气隔离高电流和低电流时尤其重要元素在同一衬底上制作的。帮派律和同事在香港科技大学提出了一个设计与高掺杂p +硅衬底上的n型硅,其次是氮化镓缓冲结构。这个设计地方pn二极管垂直于氮化镓设备层,分为岛屿的深沟的隔离区域。p +群岛为每个GaN晶体管允许本地source-to-silicon连接,用臀部接触与总线电压,而pn结隔离干扰的晶体管。[3]

管理分解为一个可靠的未来
尽管GaN ICs从商业化还有很长的路要走,影响电路的性能和可靠性的一些问题正在变得越来越明显。例如,因为电力设备必须管理电场比逻辑设备,他们更容易产生各种各样的故障,是侗族Seup李,氮化镓功率流程集成在德州仪器工程师,在IEDM解释道。甘有高密度的表面状态,因为它缺乏一个高质量的原生氧化。他补充说,门附近的高电场和其他金属接口可以驱动电子到这些国家。被困在氮化镓电子表面然后无法携带通道电流,消耗的宽度变化,阻力上升——这可能最终导致设备故障。

此外,氮化镓本身可以分解。氮化镓是一个极性材料。高电场诱导晶格应变,最终导致缺陷形成和漏电流的路径。李警告设备的设计者可能崩溃的边缘由于当前浓度,电极附近的来源。在断开的设备,可能存在一个很大的电场,但当前不流动,日本国家先进工业科学研究所的研究人员和技术观察突然和破坏性故障事件类似于介质击穿。防止故障事件,他们提议将碳化硅二极管集成到器件衬底创建另一个电流路径过剩积累电荷。[4]

结论
从个人的转变甘GaN设备集成电路,从实验室概念证明商业应用,不可避免的带来的可靠性和操作信封前沿问题。研究人员和工程师正在通过氮化镓的独特问题,和强拉从电动汽车和电力设备市场应确保可制造的解决方案。

引用

[1]a . Raj et al .,“基于氮化镓/沃甘超晶格E-mode p沟道MES-FinFET再生与当前联系人,> 50 mA /毫米,“2021年IEEE国际电子设备会议(IEDM), 2021年,页5.4.1-5.4.4,doi: 10.1109 / IEDM19574.2021.9720496。
”[2]t Cosnier et al ., 200 V GaN-on-SOI巧实力的整体氮化镓功率集成电路平台,“2021年IEEE国际电子设备会议(IEDM), 2021年,页5.1.1-5.1.4,doi: 10.1109 / IEDM19574.2021.9720591。
[3]g .律et al .,“氮化镓功率集成平台基于工程大部分Si衬底与消除串扰在高端和下部HEMTs之间,“2021年IEEE国际电子设备会议(IEDM), 2021年,页5.2.1-5.2.4,doi: 10.1109 / IEDM19574.2021.9720505。
[4]a .中岛以h·平井伯昌y三浦和s . Harada“1.2 kV GaN /应用混合高电子迁移率晶体管与非破坏性击穿,“2021年IEEE国际电子设备会议(IEDM), 2021年,页36.5.1-36.5.4,doi: 10.1109 / IEDM19574.2021.9720673。