Imec ukazuje úspěšnou monolitickou integraci Schottkyho diod a Depletion-Mode-HEMTs s GaN-IC 200 V

Prozessquerschnitte der auf 200 mm GaN-auf-SOI-Substraten hergestellten Hochspannungsbauelemente (a) e-Modus pGaN-HEMT, (b) d-Modus MIS-HEMT, (c) Schottky-Barriere-Diode. Alle Bauelemente enthalten metallische Feldplatten, die auf Front-End- und Interconnect-Metallschichten basieren und durch dielektrische Schichten getrennt sind. / Process cross-sections of the high-voltage components fabricated on 200 mm GaN-on-SOI substrates (a) e-mode pGaN-HEMT (b) d-mode MIS-HEMT, (c) Schottky barrier diode. All devices include metal field plates based on front-end and interconnect metal layers and separated by dielectric layers.

Tento týden představuje imec, přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, na Mezinárodním setkání elektronových zařízení 2021 (IEEE IEDM 2021) úspěšnou ko-integration vysokovýkonných Schottkyho bariérových diod a depletion-mode HEMT na platformě GaN-on-SOI s p-GaN, určenou pro inteligentní integrované výkonové obvody (IC), vyvinutou na 200mm substrátech. Doplnění těchto komponent umožňuje návrh čipů s rozšířenou funkcionalitou a zvýšeným výkonem, což posouvá monoliticky integrované GaN výkonové IC o krok dál. Tento úspěch otevírá cestu k menším a efektivnějším stejnosměrným (DC/DC) měničům a bodovým měničům zatížení.

GaN výkonová elektronika je dnes stále dominována diskrétními komponenty, které jsou řízeny externím řídícím IC, jenž generuje spínací signály. Aby však bylo možné plně využít rychlé spínací rychlosti GaN, doporučuje se monolitická integrace výkonových prvků a řídicích funkcí. Imec již úspěšně demonstrovalo monolitickou ko-integraci polovodičové poloviny a řídicích obvodů spolu s řídicími a ochrannými obvody, které jsou klíčem k integrovanému plnému GaN výkonovému IC na jednom čipu.

Jednou z hlavních překážek pro zvýšení plného výkonu GaN výkonových IC je hledání vhodného řešení pro nedostatek p-kanálových prvků v GaN s přijatelným výkonem. V technologii CMOS se používají komplementární a symetrické páry p- a n- FETů, založené na mobilitách děr a elektronů pro oba typy FETů. U GaN je však mobilita děr přibližně 60krát horší než u elektronů. To znamená, že p-kanálový prvek, u něhož jsou hlavními nosiči náboje díry, by byl 60krát větší než jeho n-kanálový protějšek a velmi neefektivní. Častou alternativou je nahrazení P-MOS odporovým prvkem. Logika odporových tranzistorů (RTL) byla použita u GaN IC, ale vykazuje kompromisy mezi dobou přepínání a spotřebou energie.

"Zlepšili jsme výkon GaN IC použitím kombinace enhancement-mode a depletion-mode spínačů, takzvaných e-mode a d-mode HEMT. Rozšířením naší funkční platformy e-mode HEMT na SOI s ko-integrací d-mode HEMT můžeme nyní přejít od RTL ke přímo spojené FET logice, což zlepší rychlost obvodů a sníží ztrátové výkonové parametry," vysvětluje Stefaan Decoutere, programový ředitel GaN Power Systems ve společnosti imec.

Další důležitou součástí ko-integration v GaN výkonových IC je Schottkyho bariérová dioda. Ve srovnání s jejich křemíkovými protějšky kombinují GaN Schottkyho diody vyšší blokovací napětí s nižšími ztrátami při spínání.

"Úspěšně jsme rozšířili naši platformu GaN-on-SOI s e-mode HEMT na 200 V o monoliticky integrované vysokovýkonné Schottkyho bariérové diody a D-mode HEMT, což nás přibližuje k inteligentním výkonovým IC na bázi GaN. Tato platforma GaN IC je dostupná prostřednictvím našeho Multi-Project-Wafer (MPW) servisu pro prototypování," dodává Stefaan Decoutere. "Naše platforma je připravena k předání partnerům. Hledáme foundry, ale také návrhářská centra a koncové uživatele. Dalším krokem bude vývoj a schválení verze platformy s napětím 650 V. Mezi cílové aplikace technologie GaN-on-SOI patří vysokonapěťové obvody a konverze výkonu, rychlé nabíječky pro mobilní telefony, tablety a notebooky, stejně jako palubní nabíječky pro elektromobily a invertory pro připojení solárních panelů k síti."