Imec mostra un'integrazione monolitica riuscita di diodi Schottky e HEMT in modalità di svuotamento con GaN-IC da 200 V

Sezioni trasversali del processo dei componenti ad alta tensione realizzati su substrati GaN-on-SOI da 200 mm (a) e-mode pGaN-HEMT, (b) d-mode MIS-HEMT, (c) diodo a barriera Schottky. Tutti i dispositivi includono piastre di campo metalliche basate su strati di metallo front-end e di interconnessione e separate da strati dielettrici.

Questa settimana imec, il principale centro di ricerca e innovazione per la nanoelettronica e le tecnologie digitali, presenta al International Electron Devices Meeting 2021 (IEEE IEDM 2021) la co-integrazione di successo di diodi a barriera Schottky ad alte prestazioni e HEMT a modalità di svuotamento su una piattaforma GaN-on-SOI da 200 V basata su p-GaN-HEMT per circuiti di potenza integrati intelligenti (ICs), sviluppata su substrati da 200 mm. L'integrazione di questi componenti consente la progettazione di chip con funzionalità estese e maggiore potenza, portando i circuiti di potenza GaN monolitici a un livello decisamente superiore. Questa conquista apre la strada a convertitori DC/DC e Point-of-Load più piccoli ed efficienti.

La tecnologia di potenza GaN è ancora dominata oggi da componenti discreti, controllati da un driver IC esterno che genera i segnali di commutazione. Tuttavia, per sfruttare appieno i vantaggi dell'alta velocità di commutazione del GaN, si raccomanda un'integrazione monolitica degli elementi di potenza e delle funzioni di driver. Imec ha già dimostrato con successo la co-integrazione monolitica di una mezza ponte e di driver insieme a circuiti di controllo e protezione, che rappresentano la chiave per un IC di potenza GaN completo integrato in un singolo chip.

Uno degli ostacoli principali per aumentare le prestazioni complete degli IC di potenza GaN è la ricerca di una soluzione adeguata per la mancanza di elementi p-channel in GaN con prestazioni accettabili. Nella tecnologia CMOS vengono utilizzate coppie complementari e più simmetriche di transistor a effetto di campo p e n (FET), basate sulla mobilità di lacune ed elettroni per entrambi i tipi di FET. Tuttavia, in GaN, la mobilità delle lacune è circa 60 volte inferiore a quella degli elettroni. Ciò significa che un elemento p-channel, in cui le lacune sono i principali portatori di carica, sarebbe 60 volte più grande rispetto al corrispondente n-channel ed estremamente inefficiente. Un'alternativa molto diffusa è sostituire il P-MOS con una resistenza. La logica transistor-resistenza (RTL) è stata impiegata negli IC GaN, ma presenta compromessi tra tempi di commutazione e consumo di corrente.

"Abbiamo migliorato le prestazioni degli IC GaN combinando interruttori di modalità enhancement e depletion, chiamati HEMT e-mode e d-mode. Estendendo la nostra piattaforma funzionale di HEMT a modalità e su SOI con l'integrazione di HEMT a modalità d, possiamo ora passare dalla logica RTL a una logica FET direttamente accoppiata, migliorando la velocità dei circuiti e riducendo le perdite di potenza", spiega Stefaan Decoutere, Program Director GaN Power Systems di imec.

Un'altra componente importante per la co-integrazione negli IC di potenza GaN è un diodo a barriera Schottky. Rispetto ai loro omologhi in silicio, i diodi Schottky in GaN combinano tensioni di blocco più elevate con minori perdite di commutazione.

"Abbiamo ampliato con successo la nostra piattaforma di IC GaN da 200 V su SOI con HEMT a modalità e e diodi Schottky ad alte prestazioni monoliticamente integrati, portandoci un passo più vicino a circuiti di potenza intelligenti basati su GaN. Questa piattaforma IC GaN è disponibile tramite il nostro servizio di wafer multi-progetto (MPW) per prototipazione", aggiunge Stefaan Decoutere. "La nostra piattaforma è pronta per essere condivisa con partner. Siamo alla ricerca di fonderie, ma anche di studi di progettazione e utenti finali. Il prossimo passo sarà lo sviluppo e il rilascio di una versione della piattaforma da 650 Volt. Le applicazioni target per la tecnologia GaN-on-SOI includono circuiti ad alta tensione e conversione di potenza, caricabatterie rapidi per telefoni, tablet e laptop, nonché caricabatterie a bordo per veicoli elettrici e inverter per collegare i pannelli solari alla rete elettrica".