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新一代單片式整合氮化鎵晶片
升級功率電路性能

【作者: imec】   2022年05月05日 星期四

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在這篇文章裡,imec氮化鎵電力電子研究計畫主持人Stefann Decoutere探討在200V GaN-on-SOI智慧功率晶片(IC)平台上,整合高性能蕭基二極體與空乏型高電子遷移率電晶體(HEMT)的成功案例。


該平台以p型氮化鎵(GaN)HEMT製成,並成功整合多個GaN元件,將能協助新一代晶片擴充功能與升級性能,推進GaN功率IC的全新發展。同時提供DC/DC轉換器與負載點(POL)轉換器所需的開發動能,進一步縮小元件尺寸與提高運作效率。


電力電子半導體的最佳解答:氮化鎵(GaN)

過去幾十年來,金氧半場效電晶體(MOSFET)與其他場效電晶體等矽基功率電晶體一直是電力轉換系統的發展支柱,能將交流電(AC)轉換為直流電(DC),或是將直流電從低壓轉為高壓,反之亦然。在探索具備更優異開關性能的替代方案時,氮化鎵(GaN)在所有先進的候選材料中快速崛起。


氮化鎵或氮化鋁鎵(AlGaN)的複合材料能提供更高的電子遷移率與臨界電場,結合HEMT的電晶體結構,就能打造新一代的元件與晶片,提升擊穿強度與開關速度,降低電導損耗(conductance loss),縮小尺寸,勝過其他的半導體材料。



圖一 : 由imec開發的200V GaN-on-SOI功率晶片技術與元件示意圖。該製程整合了增強型或空乏型HEMT、蕭基二極體、電阻器、電容器,並運用多個先進模組製造,例如深通道隔離(deep trench isolation)、基板接點(substrate contact)、重佈線層(redistribution layer)等。
圖一 : 由imec開發的200V GaN-on-SOI功率晶片技術與元件示意圖。該製程整合了增強型或空乏型HEMT、蕭基二極體、電阻器、電容器,並運用多個先進模組製造,例如深通道隔離(deep trench isolation)、基板接點(substrate contact)、重佈線層(redistribution layer)等。

目前,絕大多數的GaN功率系統都是由多個晶片組成。這些氮化鎵元件在整合至印刷電路板(PCB)以前都是獨立元件,製程中會產生寄生電感,降低元件性能。


imec氮化鎵電力電子研究計畫主持人Stefaan Deoutere解釋:「以驅動器為例,當多個獨立電晶體的驅動器被置於不同晶片時,驅動器輸出級與電晶體輸入級之間會產生大量的寄生電感,半橋電路中間的交換節點也會深受其害。」


「以氮化鎵(GaN)製成的高電子遷移率電晶體(HEMT)具備超高速的開關能力,如果不去抑制寄生電感,就會導致振鈴現象(ringing),也就是干擾訊號的不良振盪。最佳的解決方案是進行驅動器與HEMT的單片式整合,不僅能避免寄生現象的發生,還能最大程度地運用GaN元件的優異開關性能。」他指出。


他繼續說道:「同時,還能縮短半橋電路電晶體之間的停滯時間(dead-time control),電晶體就不需要在另一個電晶體開啟時長時間處於暫時關閉狀態。在等待不同電晶體切換開關的期間,電源與接地之間會出現短路,或稱停滯時間。而在單一晶片上整合所有元件就能解決振鈴問題、縮短停滯時間,最終提升目標轉換器的功耗。」


空乏型HEMT的共整合(co-integration)元件

在單片整合技術方面,imec現已取得豐碩的研發進展,在單一的絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator;SOI)基板上,成功整合像是驅動器、半橋電路與控制/保護電路。如今,該研究團隊在單片式整合的元件組合中新增了兩大熱門元件:空乏型HEMT與蕭基二極體。



圖二 : 在200mm GaN-on-SOI基板上製成的高壓功率元件截面圖,由左至右:(1)增強型P型GaN HEMT元件(2)空乏型金絕半電晶體(MIS)與HEMT元件(3)蕭基二極體。上述元件的前段製程結構與金屬導線層皆包含金屬場板,並以介電層相隔。
圖二 : 在200mm GaN-on-SOI基板上製成的高壓功率元件截面圖,由左至右:(1)增強型P型GaN HEMT元件(2)空乏型金絕半電晶體(MIS)與HEMT元件(3)蕭基二極體。上述元件的前段製程結構與金屬導線層皆包含金屬場板,並以介電層相隔。

為了發揮GaN功率晶片的最大性能,開發P型通道的解決方案仍是最主要的挑戰,目標是採用GaN製造P型通道元件,並確保其具備一定性能。互補式金氧半導體(CMOS)技術透過P型與N型場效電晶體運作,兩種元件相互輔助且對稱成雙,使得電洞與電子能夠自由遷移。


然而,氮化鎵元件的電子遷移率大約是電洞遷移率的60倍,而矽基元件僅僅相差兩倍。也就是說,以電洞為主要載子的P型通道會比N型通道還要大上60倍,而且效率非常低。最常見的替代方案是以電阻器取代P型MOS元件,RTL電路也被用於GaN晶片,但是必須在開關速度與功耗之間取捨。


Decoutere博士指出:「我們在SOI基板上將空乏型HEMT整合到功能性增強型HEMT平台上,實現了GaN晶片的性能升級。其中,增強型(e-mode)與空乏型元件(d-mode)分別代表源極電壓為零時電路的開啟(ON)與關閉(OFF)狀態,能夠控制電晶體產生或不產生電流。藉由全新的電路設計,把RTL電路變成直接耦合的FET邏輯電路,我們預期將能提升開關速度,並減少電路的功率消耗。」


減少漏電的蕭基二極體

透過整合蕭基二極體,氮化鎵功率晶片的電源效率就能進一步提升。與矽基二極體相比,蕭基二極體能在電路開啟且具備相同的電阻情況下承受更高的電壓,或是在相同的崩潰電壓下降低電路開啟時的電阻。


「製造蕭基二極體的挑戰是以低電壓開啟電路時,還要減少漏電。不幸的是,若想要實現低導通電壓,勢必會面臨能障(barrier)較小而導致難以控制漏電的問題。蕭基二極體的漏電流可是出了名的高得嚇人。」Decoutere博士接著說明:「imec開發了具備專利的閘極邊緣終止型蕭基二極體(Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode;GET-SBD)結構,可以在約為0.8V的低導通電壓下,有效地降低漏電流,與傳統的氮化鎵蕭基二極體相差百倍以上。」



圖三 : 閘極邊緣終止型蕭基二極體的元件特性:(左圖)當溫度為25℃時,該元件具備0.91V的低導通電流(右圖)在25℃與150℃的溫度環境下評估兩種不同的陽極場板配置,當溫度為25℃時,該元件具備2nA/mm的低逆漏電流。
圖三 : 閘極邊緣終止型蕭基二極體的元件特性:(左圖)當溫度為25℃時,該元件具備0.91V的低導通電流(右圖)在25℃與150℃的溫度環境下評估兩種不同的陽極場板配置,當溫度為25℃時,該元件具備2nA/mm的低逆漏電流。

快速開關與高壓

氮化鎵是高功率應用的必用材料,因為其臨界電壓,也就是能促使電晶體進入崩潰狀態的運作條件,是矽材的10倍。此外,在低功率應用上,氮化鎵因為具備更佳的開關速度,也能勝過矽材。


Stefaan Decoutere表示:「我們開發的氮化鎵晶片能有助於設計出更小尺寸、更高效率的DC/DC轉換器與負載點(POL)轉換器。舉例來說,智慧型手機、平板或筆電全都內建不同晶片,分別以不同電壓運作,因此需要AC/DC轉換器來進行充電,還要內建PoL轉換器來產生不同電壓。這些元件不僅具備開關,還有變壓器、電容器和電感器,所以電晶體的開關速度越快,這些元件就能設計得越小,進而在相同功率下實現更加緊湊與低成本的系統設計。」


他進一步分析,目前商機最大的氮化鎵市場是快速充電器,接著是伺服器、汽車與可再生能源應用的電源供應系統。可以想見,以氮化鎵材料製成的電源供應元件更能展現系統級的高可靠度,不僅縮小了尺寸與重量,還能減少物料需求,進而降低成本。


未來研發:垂直整合元件

Decoutere博士表示:「我們將會持續改良現有平台的性能,進一步進行可靠度測試。該平台目前提供200V與650V的原型元件,很快就會開放100V的規格。就性能而言,具備更高功率的1200V氮化鎵晶片所能達到的升級可能有限。畢竟電路電壓變高時,要驅動那些整合的元件運作也會變慢,所以可能並不需要在晶片上整合驅動器,後續模擬會提供我們驗證。」


「同時,我們也在探索1200V獨立元件的替代方案,如此一來,氮化鎵技術就能用於電動車等超高功率應用。目前氮化鎵元件採用的主流電晶體架構是橫向拓撲(lateral topolgy),每個元件包含源極、閘極與汲極三個端子,全都在同個基板的表面上,因此產生橫向電場,分佈於所有的氮化鎵緩衝層,以及部分的後段製程結構,例如金屬導線與氧化層。」


他補充說明:「在垂直堆疊的元件中,源極與閘極位處表面,而汲極在堆疊的底層。在此情況下,電場會貫穿整座堆疊,而源極與汲極之間的間距會決定元件崩潰電壓的大小,間距越寬,通道就越不容易進入崩潰狀態。」


他最後總結,在平面的拓樸結構下,源極與汲極相距越遠,元件尺寸就越大。由於1200V功率元件的晶片太過龐大,採用橫向結構時,通常會建議最高電壓為650V。相較之下,採用垂直結構的元件可以實現更高的電壓,因為源極與汲極位於堆疊的頂層與底層,所以可以增加磊晶厚度,而讓晶片面積維持不變。


(本文由imec提供;編譯/吳雅婷)


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