垂直GaN功率集成电路能否引领功率电子技术的未来? - 上海国际电力元件

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氮化镓(GaN)功率技术出现了两个主要趋势。一方面，系统外围设备与功率晶体管的单片集成可以降低系统和材料清单的成本，并提高性能。另一方面，垂直晶体管的开发旨在提高击穿电压并实现更高的开关功率。弗劳恩霍夫IAF的目标是通过开发垂直GaN功率集成电路及相关技术，结合横向和垂直几何结构的优势。

横向与垂直几何结构的结合

“融合两者之长”是垂直GaN功率集成电路开发的座右铭。

横向GaN技术凭借其高电子迁移率晶体管(HEMT)设计，已在功率电子领域带来了革命性的变化，相较于传统的基于硅的功率晶体管，提供了显著的性能优势和逐渐降低的成本。横向结构可以将主动或被动器件集成到片上GaN功率HEMT中，实现如门驱动、电流感测或保护电路等功能，这被称为GaN功率集成电路(GaN power IC)。然而，商业化的横向GaN晶体管通常具有650 V(在某些情况下甚至达到1200 V)的有限击穿电压和几千瓦的开关功率能力。

目标是通过垂直GaN晶体管克服这些限制，垂直结构的晶体管还有一个优点，即在不扩大芯片尺寸的情况下提高击穿电压。此外，通过将峰值电场和热量散发从表面转移到体材料中，可以改善可靠性和热管理。主要的四种垂直GaN器件方式包括沟槽MOSFET、鳍式场效应晶体管(FinFET)、结场效应晶体管(JFET)和CAVET(电流孔径垂直电子晶体管)。丰田、松下以及初创企业如Oddysey Semiconductor和最近解散的NexGen Power Systems展示了有前景的常关型垂直GaN晶体管，但目前尚未商业化。

垂直GaN器件面临的最大挑战之一是其经济可行性，主要是由于GaN晶圆的高成本。目前，6英寸的GaN基板正在开发中，而2英寸和4英寸的基板已经进入大规模生产，但晶圆的成本，包括外延层，目前每平方厘米高达40-60美元，相比之下，4英寸的SiC约为7美元/平方厘米，8英寸的GaN-on-Si则约为1美元/平方厘米。尽管与SiC MOSFET相比，理论上单极RON×A的优值有所改善，但为了确保垂直GaN晶体管的突破，这一相对较高的价格必须降低。

图1

在垂直器件结构中，只有CAVET具有与传统HEMT相同的异质结构和相同的门模块。虽然不同的外延层被用作垂直消耗区，但该工艺技术可以广泛应用于已知的横向器件。这一CAVET的独特卖点为在垂直器件概念中继续进行横向GaN功率集成，最终实现垂直GaN功率集成电路(如图1所示)，打开了一条未来前景广阔的道路。

横向HEMT与垂直功率CAVET的共同集成

弗劳恩霍夫IAF开发了一种技术，结合了共集成的大面积垂直GaN功率晶体管与横向器件，以在单个芯片上实现外围功能。CAVET将已经成熟的横向HEMT的门模块与垂直消耗区和漂移区结合在一起。因此，用于HEMT(例如，pGaN门)的常关概念也适用于CAVET。该技术从高度负掺杂(n+)的GaN基板开始，随后进行同质外延，其位错密度显著优于在硅或蓝宝石等外部基板上的异质外延，因此可以积极影响击穿电压和可靠性。借助金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在顶部生长一个几微米厚的弱掺杂(n-)GaN层，作为消耗区和漂移区。然后通过镁(Mg)注入制造一个正掺杂(p)GaN电流阻挡层(CBL)，该层作为绝缘层，将源极与漏极隔离。

图2

同时，一个孔允许在门区下方进行垂直电流流动。最后，未掺杂(uid)的GaN通道、铝镓氮异质结构和GaN盖层或替代的p-GaN被再生长在上方，构成了垂直晶体管的接入区域和横向HEMT的通道区域。这些器件在III-V工艺线上制造，具有与横向GaN技术相同的主动和被动组件。图1b展示了一块经过完全加工的2英寸GaN-on-GaN晶圆，未来也可能在更大直径上实现。图2a和c展示了该技术的简化横截面和已制造CAVET的透射电子显微镜(TEM)横截面图像。

实验结果

为证明垂直GaN功率集成电路的发展，使用相同技术制造了多个垂直和横向器件。加工后，组件被切割以保持灵活性。不过，如果背面或漏极的直流电势相同或连接在一起(如图2b中的电路图所示)，它们应表现得像单片集成在一个芯片上。实验概念验证使用一个由几乎单片集成的横向HEMT推挽驱动级控制的大面积CAVET功率器件，并通过感应CAVET进行电流感测。图2b展示了相应的电路图/符号，并通过符号的方向指示电流方向(横向与垂直)。推挽HEMT级由一个上拉/下拉(PU/PD)晶体管组成，其电流镜比率N约为229。

基于GaN的器件进行了详细的静态特性测试。动态开关测量在40 V、最高2.4 A和500 kHz下的双脉冲测试设备中进行，图3展示了PU/PD器件的栅源电压VPU/VPD、功率CAVET的栅源电压VGS(与感应CAVET的VGS相对应)、功率CAVET的漏电流ID和漏源电压VDS。功率CAVET的漏电流通过同轴分流器的电压降进行测量，而感应晶体管的镜像电流则通过外部电流反馈放大器转换为电压VSENSE。

图3

结论

垂直GaN功率集成电路的开发旨在将横向GaN技术的优势与垂直晶体管结构相结合。不仅应解决传统参数如更高电压和电流的问题，还应利用单片功能集成的优势，降低系统成本。这将为目前仍处于早期研发阶段且商业上稀少的垂直GaN晶体管提供进一步的销售论据。然而，研究结果显示了它们的巨大潜力。垂直GaN功率集成电路将进一步推动该技术的性能，并将在弗劳恩霍夫IAF的持续项目中继续推进。

    文章来源：浮思特科技

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