Imec toont succesvolle monolithische integratie van Schottky-diodes en depletion-modus HEMT's met 200 V GaN-IC

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.

Deze week presenteert imec, het toonaangevende onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, op de International Electron Devices Meeting 2021 (IEEE IEDM 2021) de succesvolle co-integratie van hoogrenderende Schottky-barrièredioden en depletion-Mode-HEMTs op een p-GaN-HEMT-gebaseerd 200-V-GaN-on-SOI-platform voor intelligente geïntegreerde vermogensschakelingen (IC's), ontwikkeld op 200-mm-ondergronden. De aanvulling van deze componenten maakt het mogelijk om chips met uitgebreide functionaliteit en verhoogde prestaties te ontwerpen, wat monolithisch geïntegreerde GaN-vermogens-IC's een belangrijke stap verder brengt. Deze prestatie effent de weg naar kleinere en efficiëntere DC/DC-omzetters en Point-of-Load-omzetters.

GaN-vermogenselektronica wordt vandaag nog steeds gedomineerd door discrete componenten die worden aangestuurd door een externe driver-IC, die de schakelsignalen genereert. Om echter volledig gebruik te maken van de snelle schakelsnelheid van GaN, wordt een monolithische integratie van vermogenselementen en driverfuncties aanbevolen. Imec heeft al succesvol de monolithische co-integratie van een halve brug en drivers aangetoond, samen met besturings- en beschermingsschakelingen, die de sleutel vormen tot een geïntegreerde full-GaN-vermogens-IC in één chip.

Een van de belangrijkste obstakels voor het vergroten van de volledige prestaties van GaN-vermogens-IC's is het vinden van een geschikte oplossing voor het tekort aan p-kanaalelementen in GaN met acceptabele prestaties. In CMOS-technologie worden complementaire en meer symmetrische paren van p- en n-veldeffecttransistors (FETs) gebruikt, gebaseerd op de mobiliteiten van gaten en elektronen voor beide FET-types. In GaN is de mobiliteit van gaten echter ongeveer 60 keer slechter dan die van elektronen. Dit betekent dat een p-kanaal-element, waarbij gaten de hoofdladingsdragers zijn, 60 keer groter zou zijn dan het n-kanaal-tegenovergestelde en uiterst inefficiënt. Een veelgebruikte alternatieve oplossing is het vervangen van de P-MOS door een weerstand. De weerstandstransistorlogica (RTL) is toegepast voor GaN-IC's, maar kent compromissen tussen schakeltijd en stroomverbruik.

"We hebben de prestaties van GaN-IC's verbeterd door een combinatie te gebruiken van enhancement- en depletion-Mode- schakelaars, zogenaamde e-Mode- en d-Mode-HEMTs. Door ons functionele e-mode HEMT-platform op SOI uit te breiden met geïntegreerde d-mode HEMTs, kunnen we nu de overstap maken van RTL naar direct gekoppelde FET-logica, wat de snelheid van de schakelingen zal verbeteren en het verliesvermogen zal verminderen", legt Stefaan Decoutere, Programmadirecteur GaN Power Systems bij imec, uit.

Een andere belangrijke component voor de co-integratie in GaN-vermogens-IC's is een Schottky-barrièrediode. In vergelijking met hun silicium-varianten combineren GaN-Schottky-diodes hogere sperspanningen met lagere schakellossingen.

"We hebben ons 200-V-GaN-on-SOI-e-Mode-HEMT-GaN-IC-platform succesvol uitgebreid met monolithisch geïntegreerde hoogrenderende Schottky-barrièredioden en D-Mode-HEMTs, wat ons een stap dichter bij intelligente GaN-gebaseerde vermogens-IC's brengt. Dit GaN-IC-platform is beschikbaar via onze Multi-Project-Wafer (MPW)-service voor prototyping", voegt Stefaan Decoutere toe. "Ons platform is klaar voor overdracht aan partners. We zijn op zoek naar foundries, maar ook naar ontwerphuizen en eindgebruikers. De volgende stap zal de ontwikkeling en vrijgave zijn van een 650-Volt-versie van het platform. Doeltoepassingen voor de GaN-on-SOI-technologie omvatten hoogspanningsschakelingen en vermogensconversie, snelladers voor mobiele telefoons, tablets en laptops, evenals on-board laadapparaten voor elektrische auto's en omvormers voor het aansluiten van zonnepanelen op het elektriciteitsnet".