Imec muestra una integración monolítica exitosa de diodos Schottky y HEMTs en modo de agotamiento con GaN-IC de 200 V

Secciones transversales del proceso de los componentes de alta tensión fabricados en sustratos GaN sobre SOI de 200 mm (a) e-mode pGaN-HEMT, (b) d-mode MIS-HEMT, (c) diodo de barrera Schottky. Todos los dispositivos incluyen placas de campo metálicas basadas en capas metálicas de front-end e interconexión y separadas por capas dieléctricas.

Esta semana, imec, el principal centro de investigación e innovación en nanoelectrónica y tecnologías digitales, presenta en el International Electron Devices Meeting 2021 (IEEE IEDM 2021) la exitosa co-integración de diodos Schottky de alto rendimiento y HEMTs en modo de agotamiento en una plataforma de GaN-on-SOI de 200 V basada en p-GaN-HEMT para circuitos de potencia integrados inteligentes (ICs), desarrollada en sustratos de 200 mm. La incorporación de estos componentes permite el diseño de chips con funcionalidad ampliada y mayor rendimiento, llevando los ICs de potencia monolíticos de GaN un paso decisivo adelante. Este logro allana el camino para convertidores DC/DC y convertidores en el punto de carga más pequeños y eficientes.

La electrónica de potencia de GaN todavía está dominada por componentes discretos controlados por un IC externo que genera las señales de conmutación. Sin embargo, para aprovechar al máximo la rápida velocidad de conmutación del GaN, se recomienda una integración monolítica de los elementos de potencia y las funciones de controladores. imec ya ha demostrado con éxito la co-integración monolítica de una media puente y controladores junto con circuitos de control y protección, que son clave para un IC de potencia GaN completo integrado en un solo chip.

Uno de los principales obstáculos para aumentar el rendimiento completo de los ICs de potencia GaN es la búsqueda de una solución adecuada para la escasez de componentes de canal p en GaN con rendimiento aceptable. En la tecnología CMOS, se utilizan pares complementarios y más simétricos de transistores de efecto campo (FETs) p y n, que se basan en las mobilidades de huecos y electrones para ambos tipos de FET. Sin embargo, en GaN, la movilidad de los huecos es aproximadamente 60 veces peor que la de los electrones. Esto significa que un componente de canal p, donde los huecos son los portadores de carga principales, sería 60 veces más grande que su contraparte de canal n y extremadamente ineficiente. Una alternativa muy extendida es reemplazar el MOS p por una resistencia. La lógica de transistor resistivo (RTL) se ha utilizado en ICs de GaN, pero presenta compromisos entre el tiempo de conmutación y el consumo de corriente.

"Hemos mejorado el rendimiento de los ICs de GaN mediante una combinación de interruptores en modo de mejora y modo de agotamiento, conocidos como HEMTs en modo e y modo d. Al ampliar nuestra plataforma funcional de HEMT en modo e en SOI con HEMTs en modo d co-integrados, ahora podemos dar el paso de RTL a una lógica de FETs acoplados directamente, lo que mejorará la velocidad de los circuitos y reducirá las pérdidas de potencia", explica Stefaan Decoutere, Director de Programas de Sistemas de Potencia GaN en imec.

Otro componente importante para la co-integración en los ICs de potencia GaN es una diodo Schottky de barrera. En comparación con sus homólogos de silicio, los diodos Schottky de GaN combinan mayores tensiones de bloqueo con menores pérdidas de conmutación.

"Hemos ampliado con éxito nuestra plataforma de ICs GaN-on-SOI de 200 V en modo e con diodos Schottky de alta potencia y HEMTs en modo d integrados monolíticamente, lo que nos acerca un paso más a los circuitos de potencia inteligentes basados en GaN. Esta plataforma de ICs de GaN está disponible a través de nuestro servicio de obleas multi-proyecto (MPW) para prototipado", añade Stefaan Decoutere. "Nuestra plataforma está lista para ser transferida a socios. Estamos buscando foundries, pero también diseñadores y usuarios finales. El siguiente paso será el desarrollo y la liberación de una versión de 650 voltios de la plataforma. Las aplicaciones objetivo para la tecnología GaN-on-SOI incluyen circuitos de alta tensión y conversiones de potencia, cargadores rápidos para teléfonos móviles, tablets y laptops, así como cargadores a bordo para vehículos eléctricos y inversores para conectar paneles solares a la red eléctrica".