氮化鎵(GaN)功率集成電路(IC)開發(fā)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

氮化鎵(GaN)功率器件以離散形式已在電源充電器的應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛采用。在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，GaN高遷移率電子晶體管(HEMT)的諸多材料和器件優(yōu)勢也推動(dòng)了它在多樣化應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換使用，例如數(shù)據(jù)中心、可再生能源和電動(dòng)汽車。在本文中，我們將探討創(chuàng)建GaN功率集成電路(ICs)的一些優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

01

創(chuàng)造GaN功率IC的動(dòng)機(jī)

基于硅的功率管理集成電路(PMICs)被廣泛使用。許多晶圓廠現(xiàn)在提供先進(jìn)的雙極型CMOS-DMOS(BCD)集成工藝技術(shù)，它們包含最小門長約為90納米或更小的CMOS低壓器件和額定超過600V的DMOS器件。在這些工藝節(jié)點(diǎn)上，可實(shí)現(xiàn)超過125千門/mm2的高門密度。

集成允許在單一芯片中進(jìn)行故障監(jiān)控、門驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)控制與精確模擬電路。出色的器件匹配、廣泛的無源器件(電阻器、電容器和電感器)可用性、基于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的微調(diào)、高工藝產(chǎn)量以及成熟的PDK(工藝設(shè)計(jì)工具包)連同統(tǒng)計(jì)和極值模型，都有助于這些基于硅的PMICs在包括汽車在內(nèi)的許多應(yīng)用中的開發(fā)和使用。

GaN在電源轉(zhuǎn)換方面相對(duì)于硅提供了許多優(yōu)勢。低導(dǎo)通和切換損耗以及在高切換頻率下運(yùn)行的能力帶來了系統(tǒng)層面在電源轉(zhuǎn)換效率、改善的功率密度和更簡單的轉(zhuǎn)換器拓?fù)渖系膬?yōu)勢。

圖1展示了一個(gè)例子。在這里，比較了在BCD工藝中使用的650V硅LDMOS器件、600V超結(jié)CoolMOS器件和650V GaN HEMT器件的特定開啟電阻。圖1中方塊的面積表示大約可以轉(zhuǎn)換為DMOS部分的硅BCD芯片的等效芯片面積改進(jìn)，如果它被GaN替換的話。

GaN HEMT作為一種橫向器件，也是器件集成的自然候選者。目標(biāo)是利用GaN的許多優(yōu)勢，把它們應(yīng)用到集成電路上，而采用硅BCD所達(dá)到的集成水平和性能則提供了一個(gè)激勵(lì)指標(biāo)。一個(gè)可能從這種單片GaN集成中受益的應(yīng)用實(shí)例是用于多化學(xué)性(例如，結(jié)合LFP和NMC)電動(dòng)汽車電池包(MCB)的七級(jí)飛行電容多級(jí)轉(zhuǎn)換器1。在這項(xiàng)工作中創(chuàng)建的400至150V直流轉(zhuǎn)換器原型采用了基于差分功率處理的閉環(huán)控制來優(yōu)化MCB電池組內(nèi)的電力組合。

02

GaN IC集成的挑戰(zhàn)為創(chuàng)建GaN功率IC，需要克服許多障礙，包括以下幾點(diǎn)：

增強(qiáng)模式(e-mode)HEMT的典型閾值電壓(Vth)為1.7V，最大柵極電壓(Vgs)額定值為6-7V。這導(dǎo)致了器件柵極的噪聲和過驅(qū)動(dòng)裕度上的限制。盡管瞬態(tài)漏極過壓額定值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過操作額定值，但單極性HEMT器件缺乏雪崩能力引發(fā)了關(guān)于器件未夾緊感應(yīng)應(yīng)力和短路魯棒性的問題。硅和碳化硅MOSFET通常具有更強(qiáng)的柵極過驅(qū)動(dòng)額定值(最大Vgs約為20V)。更高的Vth使得更容易實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)電路，這可能是單極性的(即，不需要負(fù)驅(qū)動(dòng)來關(guān)閉器件)。e-mode HEMT的另一個(gè)特性是比硅和碳化硅MOSFETs有著更高的柵極漏電流(Igs)。這個(gè)高Igs，可以在Vgs為5V時(shí)達(dá)到1μA/mm的量級(jí)，對(duì)許多需要采樣和保持功能的模擬電路的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

與 Si CMOS 相比，缺乏可行的 PMOS HEMT 器件使 GaN 功率 IC 集成處于很大的劣勢。低泄漏 CMOS 允許以較小的柵極長度實(shí)現(xiàn)高水平的低壓邏輯集成?？梢詣?chuàng)建基于使用增強(qiáng)模式 HEMT 的電阻晶體管邏輯 (RTL) 或使用增強(qiáng)模式和常開耗盡模式 (d 模式) HEMT 的直接耦合 FET 邏輯 (DCFL) 的邏輯電路。然而，它們的泄漏比 CMOS 邏輯高得多。

GaN HEMT 的光刻水平比當(dāng)前 Si BCD 工藝流程中低壓 CMOS 的光刻水平落后約 20 年(約 1 μm 與 90 nm)。這使得邏輯和控制電路變得更大，并在一定程度上抵消了集成芯片高壓部分的尺寸優(yōu)勢。

創(chuàng)建復(fù)雜 IC 所需的 PDK/建?；A(chǔ)設(shè)施在 GaN 電源設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)中仍處于起步階段。

缺乏高比電阻集成電阻器也會(huì)導(dǎo)致尺寸劣勢。電阻器采用相對(duì)低電阻率的二維電子氣 (2DEG) GaN HEMT 通道。

工藝穩(wěn)定性和匹配是人們關(guān)心的問題，特別是對(duì)于電流鏡和感測電路等縮放電路。Si BCD 在優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝流程方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)出色的均勻性和可重復(fù)性，讓設(shè)計(jì)人員的工作更加輕松。

產(chǎn)量和成本是 GaN 落后的重要指標(biāo)。這些是大規(guī)模制造的關(guān)鍵。硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 工藝流程的質(zhì)量得到了顯著提高，并且 8 英寸制造量不斷增加，這可以降低成本并加快學(xué)習(xí)周期。

03

可以進(jìn)行許多級(jí)別的集成，本質(zhì)上是在增加的特性和功能與流程和集成復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。圖 2 描繪了顯示這些不同級(jí)別的圖表：

0 級(jí)和 1 級(jí)集成了電平轉(zhuǎn)換和柵極驅(qū)動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)較低的柵極和功率環(huán)路電感，從而提高開關(guān)性能。

2 級(jí)增加了電流、電壓和溫度的片上感測。這增加了對(duì)故障情況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性。

3 級(jí)和 4 級(jí)將全閉環(huán)控制與 PWM 生成和先進(jìn)的健康狀態(tài)診斷集成在一起。

Level 1和Level 2已被一些功率GaN制造商采用，而Level 3和Level 4大多處于研發(fā)階段。

04

GaN IC集成方法和實(shí)例

圖 3 描述了功率 GaN IC 集成的兩種方法。GaN-A(左)基于用于分立功率 GaN 器件的標(biāo)準(zhǔn) GaN-on-Si HEMT 工藝流程。e-HEMT 和 d-HEMT 以及 2DEG 電阻器和金屬-絕緣體-金屬電容器的組合允許 DCFL 邏輯與高壓 e-HEMT 器件集成。GaN-B(右)采用 GaN-on-SOI 工藝流程。GaN 器件和 Si 襯底之間以及器件之間使用溝槽隔離實(shí)現(xiàn)隔離。RTL 可與類似于 GaN-A 流程創(chuàng)建的增強(qiáng)型 HEMT 邏輯器件、電阻器和電容器以及高壓增強(qiáng)型 GaN 器件集成。

圖 4 描述了這些集成方法與采用 CMOS 的 Si BCD 相比的一些邏輯功耗缺點(diǎn)。比較了 GaN-A DCFL 與 GaN-B RTL 和 CMOS 之間的環(huán)形振蕩器性能。GaN-A 和 GaN-B 流程在不同的代工廠運(yùn)行。雖然 GaN-A 和 GaN-B 逆變器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是相同的柵極延遲，但 DCFL 低側(cè) e-HEMT 寬度比 RTL 電路大 3 倍以上，導(dǎo)致功耗相對(duì)較高。對(duì)于類似的柵極延遲，這兩種 GaN 電路的功率/級(jí)消耗至少比 CMOS 高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

多倫多大學(xué) Trescases 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的 GaN IC 集成的一個(gè)有趣例子是過流檢測電路與功率 HEMT 的集成。2該電路使用 SenseHEMT 進(jìn)行電流感應(yīng)、基于圖騰柱的柵極驅(qū)動(dòng)器和一組邏輯電路來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過流保護(hù) (OCP)。OCP 等故障檢測對(duì)于過壓和過流容限較差的快速開關(guān) GaN 器件至關(guān)重要。雖然這種集成也可以通過與 Si BCD 芯片共同封裝的兩芯片方法來完成，但單片集成有助于縮短保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了面積效率以及更簡單的裝配過程。

該 OCP 電路(如圖 5 所示)是在 200V SOI 上 GaN 工藝上實(shí)現(xiàn)的。它具有可調(diào)節(jié)電流限制和可編程消隱時(shí)間。

單脈沖鉗位電感開關(guān)測試的測量波形如圖 6 所示。響應(yīng)時(shí)間為 33 ns。這是 GaN 功率器件實(shí)現(xiàn)的最快 OCP 電路響應(yīng)時(shí)間之一。

GaN 集成面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。當(dāng)前的集成水平可能受到多種因素的限制，例如泄漏、工藝穩(wěn)定性、成本、產(chǎn)量以及缺乏完全開發(fā)的 PDK/建模生態(tài)系統(tǒng)。目前光刻水平遠(yuǎn)高于Si CMOS。有助于加速 GaN PMIC 開發(fā)的關(guān)鍵突破包括創(chuàng)建可行的 PMOS 器件和更高比電阻的電阻器。如圖 7 所示，預(yù)計(jì) 1 級(jí)集成將成為數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車等約 10 kW 或更高功率級(jí)別應(yīng)用的主流。隨著工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)量的提高，2 級(jí)和 3 級(jí)集成將在低于 1 kW 的范圍內(nèi)得到更多采用，這對(duì)于電源適配器非常有用。

以上就是關(guān)于氮化鎵(GaN)功率集成電路(IC)開發(fā)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)的所有內(nèi)容，看完之后想必你對(duì)氮化鎵(GaN)功率IC已經(jīng)有了大致的了解，浮思特科技專注在新能源汽車、電力新能源、家用電器、觸控顯示，4大領(lǐng)域，為客戶提供功率IC產(chǎn)品選型采購的一站式服務(wù)，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。