Imec montre une intégration monolithique réussie de diodes Schottky et de HEMT en mode déplété avec un GaN-IC de 200 V

Sections transversales des processus des composants haute tension fabriqués sur des substrats GaN sur SOI de 200 mm (a) e-mode pGaN-HEMT, (b) d-mode MIS-HEMT, (c) diode à barrière Schottky. Tous les composants comprennent des plaques de champ métalliques basées sur des couches métalliques de front-end et d'interconnexion, séparées par des couches diélectriques.

Cette semaine, imec, le centre de recherche et d'innovation leader dans le domaine de la nanoélectronique et des technologies numériques, présente lors de l'International Electron Devices Meeting 2021 (IEEE IEDM 2021) la co-intégration réussie de diodes à barrière Schottky haute performance et de HEMT en mode déplétion sur une plateforme GaN-on-SOI de 200 V basée sur p-GaN, destinée aux circuits de puissance intégrés intelligents (ICs), développée sur des substrats de 200 mm. L'ajout de ces composants permet la conception de puces avec une fonctionnalité étendue et une puissance accrue, faisant un pas décisif pour les ICs de puissance GaN monolithiquement intégrés. Cette avancée ouvre la voie à des convertisseurs DC/DC et des convertisseurs Point-of-Load plus petits et plus efficaces.

La puissance électronique en GaN est encore aujourd'hui dominée par des composants discrets, contrôlés par un circuit intégré de pilotage externe qui génère les signaux de commutation. Cependant, pour exploiter pleinement les avantages de la vitesse de commutation rapide du GaN, une intégration monolithique des éléments de puissance et des fonctions de pilotage est recommandée. imec a déjà démontré avec succès la co-intégration monolithique d'une demi-puissance et de pilotes avec des circuits de commande et de protection, qui sont la clé d'un IC de puissance GaN complet intégré dans une seule puce.

Un des principaux obstacles à l'augmentation des performances complètes des ICs de puissance GaN est la recherche d'une solution adaptée au manque d'éléments à canal p dans le GaN avec des performances acceptables. En technologie CMOS, des paires complémentaires et plus symétriques de transistors à effet de champ (FET) p et n sont utilisées, basées sur la mobilité des trous et des électrons pour les deux types de FET. Dans le GaN, la mobilité des trous est cependant environ 60 fois inférieure à celle des électrons. Cela signifie qu'un élément à canal p, où les trous sont le principal porteur de charge, serait 60 fois plus grand que son homologue à canal n, et extrêmement inefficace. Une alternative largement répandue consiste à remplacer le MOS p par une résistance. La logique transistor résistif (RTL) a été utilisée pour les ICs GaN, mais présente des compromis entre la vitesse de commutation et la consommation d'énergie.

"Nous avons amélioré les performances des ICs GaN en utilisant une combinaison d'interrupteurs en mode enhancement et en mode déplétion, appelés HEMT en mode e (e-Mode) et en mode d (d-Mode). En étendant notre plateforme fonctionnelle de HEMT en mode e sur SOI avec des HEMT en mode d intégrés en co-implantation, nous pouvons désormais passer de la logique RTL à une logique FET directement couplée, ce qui améliorera la vitesse des circuits et réduira les pertes", explique Stefaan Decoutere, directeur de programme chez imec, spécialisé dans les systèmes de puissance GaN.

Une autre composante essentielle pour la co-intégration dans les ICs de puissance GaN est une diode à barrière Schottky. Comparées à leurs homologues en silicium, les diodes Schottky en GaN combinent des tensions de claquage plus élevées avec des pertes de commutation moindres.

"Nous avons réussi à étendre notre plateforme d'IC GaN-on-SOI de 200 V en mode e (HEMT en mode e) avec des diodes Schottky haute performance et des HEMT en mode d, intégrés en co-intégration monolithique, ce qui nous rapproche de la réalisation d'ICs de puissance intelligents à base de GaN. Cette plateforme d'IC GaN est disponible via notre service de wafers multi-projets (MPW) pour le prototypage", ajoute Stefaan Decoutere. "Notre plateforme est prête à être transférée à nos partenaires. Nous recherchons des fondeuses, mais aussi des concepteurs et des utilisateurs finaux. La prochaine étape sera le développement et la validation d'une version de la plateforme à 650 volts. Parmi les applications cibles de la technologie GaN-on-SOI figurent les circuits haute tension, les conversions de puissance, les chargeurs rapides pour téléphones mobiles, tablettes et ordinateurs portables, ainsi que les chargeurs embarqués pour véhicules électriques et les onduleurs pour connecter des panneaux solaires au réseau électrique".