新材料、不同的方法可能会对大多数电子产品产生长期影响。gydF4y2Ba
电力电子正在蓬勃发展，从可穿戴和便携式电子设备的感应充电器到电动汽车的充电分期等需求都在推升。gydF4y2Ba
德州仪器基尔比实验室(Texas Instruments’Kilby Labs)电力管理主管约格什•拉马达斯(Yogesh Ramadass)表示，到2030年，估计美国80%的电力将通过某种形式的电力转换器。特别是运输应用，需要具有挑战性的高电流密度和高开关速度的组合，同时需要支持功率调节、峰值检测和类似功能的控制逻辑。gydF4y2Ba
硅BCD(双极cmos - dmos)是许多此类应用的现有技术。它融合了用于模拟功能的双极元件、用于数字逻辑的CMOS和用于高压元件的双扩散金属氧化物半导体(DMOS)。BCD提供了一长串理想的特性，包括高密度，高开关速度，良好的温度稳定性，低电压gydF4y2BatgydF4y2Ba多伦多大学的研究人员Olivier Trescases和他的同事在12月的IEEE电子器件虚拟会议上发表讲话时表示，这种材料具有较高的产量。gydF4y2Ba
图1:硅BCD平台。来源:gydF4y2Ba意法半导体gydF4y2Ba©意法半导体。经允许使用。gydF4y2Ba
然而，功率器件的关键参数取决于半导体带隙。宽间隙半导体可用于高功率密度的应用，而硅则不能。gydF4y2Ba
图2:用于电力电子的潜在半导体的带隙。来源:gydF4y2Ba维基百科gydF4y2Ba,gydF4y2BaIOPSciencegydF4y2Ba
在12月的材料研究学会虚拟会议上，麻省理工学院林肯实验室的小组负责人马克·霍利斯和他的同事们研究了关键领域与所处领域之间的关系gydF4y2Ba雪崩击穿gydF4y2Ba宽禁带半导体的禁带。文献中报告的值可能使用不同的掺杂水平、设备设计和测试条件。麻省理工学院的研究小组提出了一种标准化关系，以便在不同的设计和材料之间进行比较。gydF4y2Ba
方程1gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
其中PT和NPT为穿孔和非穿孔设备，NgydF4y2BaDgydF4y2Ba为掺杂水平，q为存储电荷，W为器件宽度，εgydF4y2Ba暴击gydF4y2Ba是临界场，ε是介电常数。利用这种关系对可用的实验数据进行归一化，他们发现了最佳拟合幂律:gydF4y2Ba
εgydF4y2Ba暴击gydF4y2Ba~ EgydF4y2BaggydF4y2Ba1.86gydF4y2Ba
第二个重要参数，gydF4y2Ba巴利加的功绩gydF4y2Ba，适用于传导损耗占主导地位的低频器件。它在下一个方程中定义。gydF4y2Ba
方程2gydF4y2Ba: bom =介电常数x迁移率x带隙gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba
高频系统还必须考虑由于晶体管输入电容的充放电造成的开关损耗。gydF4y2Ba
为什么甘?gydF4y2Ba
在可用的候选材料中，gydF4y2Ba氮化镓gydF4y2Ba具有吸引力，因为它可以在cmos兼容工艺中在硅上经济有效地生长，并提供低寄生电容的高迁移率。氮化镓沉积方法已经被充分理解，因为这种材料被用于许多固态照明组件。trerescases观察到GaN晶体管在频率超过1MHz时可以切换到600V。因此，它正在成为高频放大器和开关的主导平台。gydF4y2Ba
然而，GaN功率器件和外围驱动电路之间的键合线(通常是硅)通常是高频性能的瓶颈。将功率器件和驱动电路结合在单个GaN组件中，可能会减少寄生，并允许集成片上峰值检测和其他可靠性增强。gydF4y2Ba
相对于硅BCD, trescase表示，GaN工艺技术还不太成熟，具有更大的特征尺寸。由于额定电压和最大门电压之间的边际相对较小，过度应力的风险也较高。只有增强模式设备可用;目前还没有生产就绪的p通道GaN器件。因此，GaN电路只能使用电阻-晶体管或直接耦合FET逻辑，这两种逻辑都消耗相对较大的静态功率，并且具有相对较高的栅漏。gydF4y2Ba
香港科技大学电子与计算机工程系教授Kevin Chen在IEDM的演讲中解释说，有两种不同的商用GaN HEMT技术。两者都使用p型氮化镓栅极层，带有欧姆型或肖特基型栅极，栅极堆栈与硅MOSFET设计非常不同。例如，肖特基型HEMT中的pGaN栅极层是浮动的。存储在栅极层中的电荷使阈值电压随着开关瞬态的施加而动态变化。这种变化是设备固有的，而不是应力损坏或质量差的迹象。然而，它会影响反向传导，需要更大的栅极驱动电压来补偿。gydF4y2Ba
“整合”意味着什么?gydF4y2Ba
完全集成的GaN功率电路将需要功率晶体管，以及逻辑门和无源元件。Trescases描述了集成的五个层次。最基本的“0”级简单地将多个功率器件放在单个基板上。这一级别需要绝缘衬底，如在SOI上的GaN进行隔离，但除此之外，它的制造难度并不比离散组件高多少。第1级添加门驱动器。这只需要几个额外的晶体管，并显著降低寄生电感。通过降低误启动的风险，集成驱动器可以提高设备寿命和热性能。gydF4y2Ba
2级集成增加了传感和电平转换功能，支持更复杂的信号调理电路。这些通常需要少于50个设备，小于总功率设备电路面积的1%。2级集成还有助于监控设备健康状况，这对于许多拟议的GaN应用所针对的极端操作环境非常重要。gydF4y2Ba
Trescases认为，三级集成，增加芯片上的辅助电源，闭环传感和保护电路，将需要大幅提高产量和缩小特征尺寸。目前的GaN技术还不能为闭环数字控制提供足够的门。类似地，具有高级诊断和全闭环控制的4级集成，接近目前Si-BCD中可用的功能，需要数百个逻辑门。崔卡斯认为，这还需要数年时间。此外，目前的GaN电路具有较高的静态功耗和较差的轻载效率，因此这种级别的集成可能不适用于50w以下的应用。gydF4y2Ba
这个香港团队展示了实现互补GaN逻辑的步骤，包括一个单片GaN CMOS逆变器、一个环形振荡器和其他组件。他们在相对较大的设备上实现了MHz(而不是GHz)范围内的切换速度。性能和维度都有可能得到改进。由于GaN中电子和空穴迁移率之间存在很大的不匹配，Chen说它不是通用CMOS逻辑的良好候选者。但它在电源电路的逻辑控制方面很有前景。将GaN的快速开关速度与SiC对高电流密度的非常成熟的支持相结合也将具有吸引力。gydF4y2Ba
单片硅和氮化镓能兼而有之吗?gydF4y2Ba
虽然这样的项目令人兴奋，但英特尔的组件研究工程师Han Wui Then在IEDM上表示，p通道GaN器件的开发仍处于相当初步的阶段。同时，p通道硅由于其高空穴和电子迁移率，是n通道GaN的极好补充。将两者结合到一个芯片中可以减少寄生，提高信号的完整性。gydF4y2Ba
与异构硅集成一样，硅和GaN器件的结合使制造和设计都变得复杂。例如，晶圆间键合可以连接现有的电路块，但成本和设计复杂性可能会限制潜在的互连密度。直接在GaN上生长多晶硅不需要模板，并且硅可以在GaN晶体管制造后沉积。虽然最初的研究已经发现了可观的器件特性，多晶硅的随机取向导致了大量的器件变化。gydF4y2Ba
然后，该团队在硅上沉积了外延GaN，实现了350GHz的开关频率和1.7 mA/微米的漏极电流，这两项都是硅上GaN NMOS的记录。不幸的是，硅器件通常使用(100)表面，而GaN生长需要(111)表面。(111)硅表面迁移率较差，界面态较多，氧化可靠性降低。gydF4y2Ba
最好的GaN质量是通过相当厚的薄膜实现的，允许在GaN器件和硅之间形成应变松弛位错。然而，在英特尔工艺中，厚层容易出现厚度均匀性变化。目前还不清楚他们在实践中能够达到什么样的设备密度。gydF4y2Ba
相比之下，单片层传输将两种工艺技术和设计规则解耦，发挥出两种材料的最佳性能。英特尔集团转移了一个毯状GaN层，没有器件，避免了与晶圆到晶圆键合相关的对齐问题。gydF4y2Ba
GaN的未来是电力电子的未来吗?gydF4y2Ba
为了取代硅，GaN将需要更小的特征尺寸，更稳定的制造工艺和可靠的高产量器件。Trescases说，工艺开发套件也仍处于起步阶段，“而Si-BCD在15年前就处于起步阶段。”他说，目前GaN的特点是“闪电般的快速功率器件，支持电路受到严重限制，这使得电路设计非常具有挑战性。”为了使GaN电力电子器件发挥其潜力，配套电路将需要迎头赶上。gydF4y2Ba
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