Imec pokazuje udaną monolityczną integrację diod Schottky'ego i HEMT-ów w trybie deplecji z 200 V GaN-IC

Przekroje procesowe wysokiego napięcia elementów wyprodukowanych na 200 mm podłożach GaN na SOI (a) e-mode pGaN-HEMT, (b) d-mode MIS-HEMT, (c) dioda Schottky'ego. Wszystkie elementy zawierają metalowe pola ekranowe oparte na warstwach metalowych front-end i interconnect, oddzielonych warstwami dielektrycznymi.

W tym tygodniu imec, wiodące centrum badań i innowacji w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, prezentuje na Międzynarodowym Spotkaniu Elektronowych Urządzeń 2021 (IEEE IEDM 2021) udaną ko-integrację wysokowydajnych diod Schottky'ego i HEMT-ów w trybie deplecji na platformie GaN-on-SOI o napięciu 200 V opartą na p-GaN-HEMT, przeznaczoną do inteligentnych zintegrowanych układów mocy (IC), opracowaną na substratach o rozmiarze 200 mm. Uzupełnienie tych komponentów umożliwia projektowanie układów scalonych o rozszerzonej funkcjonalności i zwiększonej mocy, co stanowi istotny krok naprzód dla monolitycznie zintegrowanych układów mocy GaN. To osiągnięcie toruje drogę do mniejszych i bardziej wydajnych przetworników DC/DC oraz konwerterów punktu obciążenia.

Elektronika mocy GaN jest dziś jeszcze zdominowana przez komponenty dyskretne, które są sterowane przez zewnętrzny układ sterujący IC, generujący sygnały przełączania. Aby jednak w pełni wykorzystać zalety szybkiej prędkości przełączania GaN, zaleca się monolityczną integrację elementów mocy i funkcji sterujących. Imec już z powodzeniem demonstrował monolityczną ko-integrację półmostka i sterowników wraz z układami sterowania i ochrony, co jest kluczem do powstania zintegrowanego pełnego układu mocy GaN w jednym chipie.

Jedną z głównych przeszkód w zwiększaniu pełnej mocy układów mocy GaN jest poszukiwanie odpowiedniego rozwiązania dla braku elementów p- kanałowych w GaN o akceptowalnej wydajności. W technologii CMOS stosuje się komplementarne i symetryczne pary tranzystorów polowych p- i n- typu (FET), opartych na mobilnościach dziur i elektronów dla obu typów FET. W GaN mobilność dziur jest jednak około 60 razy gorsza niż elektronów. Oznacza to, że element p- kanałowy, w którym głównym nośnikiem ładunku są dziury, byłby 60 razy większy niż odpowiednik n- kanałowy i niezwykle nieefektywny. Powszechną alternatywą jest zastąpienie P-MOS rezystorem. Logika tranzystorów rezystorowych (RTL) została zastosowana w układach GaN, ale wiąże się z kompromisami między czasem przełączania a zużyciem energii.

"Poprawiliśmy wydajność układów GaN, stosując kombinację przełączników w trybie enhancement i depletion, zwanych HEMT-ami e-Mode i d-Mode. Rozszerzając naszą funkcjonalną platformę HEMT w trybie e-Mode na SOI o zintegrowane HEMT-y d-Mode, możemy teraz przejść od RTL do bezpośrednio sprzężonej logiki FET, co poprawi szybkość układów i zredukuje straty energii," wyjaśnia Stefaan Decoutere, dyrektor ds. programów systemów mocy GaN w imec.

Kolejnym ważnym komponentem dla ko-integracji w układach mocy GaN jest dioda Schottky'ego. W porównaniu do swoich odpowiedników z krzemu, diody Schottky'ego z GaN łączą wyższe napięcia blokowania z mniejszymi stratami przełączania.

"Z powodzeniem rozszerzyliśmy naszą platformę układów GaN-on-SOI o napięciu 200 V, w tym o monolitycznie zintegrowane wysokowydajne diody Schottky'ego i HEMT-y d-Mode, co przybliża nas do powstania inteligentnych układów mocy opartych na GaN. Ta platforma układów GaN jest dostępna w ramach naszego usługi Multi-Project-Wafer (MPW) do prototypowania," dodaje Stefaan Decoutere. "Nasza platforma jest gotowa do przekazania partnerom. Poszukujemy foundry, a także domów projektowych i końcowych użytkowników. Kolejnym krokiem będzie opracowanie i zatwierdzenie wersji platformy o napięciu 650 V. Do docelowych zastosowań technologii GaN-on-SOI należą układy wysokiego napięcia i konwersje mocy, szybkie ładowarki do telefonów komórkowych, tabletów i laptopów, a także ładowarki pokładowe dla samochodów elektrycznych i inwertery do podłączania paneli słonecznych do sieci energetycznej".