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

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

爲了發揮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,以電洞爲主要載子的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。

imec氮化鎵電力電子研究計劃主持人Stefann Decoutere指出,我們在SOI基板上將空乏型HEMT整合到功能性增強型HEMT平臺上,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)分別代表源極電壓爲零時電路的開啓(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。

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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啓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啓時的電阻。

Stefann Decoutere表示,製造蕭基二極體的挑戰是以低電壓開啓電路時,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。

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Stefann Decoutere接着說明,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,可以在約爲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。

氮化鎵是高功率應用的必用材料,因爲其臨界電壓,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,氮化鎵因爲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。

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他進一步分析,目前商機最大的氮化鎵市場是快速充電器,接着是伺服器、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。

Stefann Decoutere表示,我們將會持續改良現有平臺的性能,進一步進行可靠度測試。該平臺目前提供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。

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Stefann Decoutere表示,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。

Stefann Decoutere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。

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Stefann Decoutere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爲650V。相較之下,採用垂直結構的元件可以實現更高的電壓,因爲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。

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