Imec zeigt erfolgreiche monolithische Integration von Schottky-Dioden und Depletion-Mode-HEMTs mit 200 V GaN-IC

Prozessquerschnitte der auf 200 mm GaN-auf-SOI-Substraten hergestellten Hochspannungsbauelemente (a) e-mode pGaN-HEMT, (b) d-mode MIS-HEMT, (c) Schottky-Barrier-Diode. Alle Bauelemente enthalten metallische Feldplatten, die auf Front-End- und Interconnect-Metallschichten basieren und durch dielektrische Schichten getrennt sind. / Process cross-sections of the high-voltage components fabricated on 200 mm GaN-on SOI substrates (a) e-mode pGaN-HEMT (b) d-mode MIS-HEMT, (c) Schottky barrier diode. All devices include metal field plates based on front-end and interconnect metal layers and separated by dielectric layers.

Diese Woche präsentiert imec, das führende Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, auf dem International Electron Devices Meeting 2021 (IEEE IEDM 2021) die erfolgreiche Co-Integration von Hochleistungs-Schottky-Barrier-Dioden und Depletion-Mode-HEMTs auf einer p-GaN-HEMT-basierten 200-V-GaN-on-SOI-Plattform für intelligente integrierte Leistungsschaltungen (ICs), die auf 200-mm-Substraten entwickelt wurde. Die Ergänzung dieser Komponenten ermöglicht das Design von Chips mit erweiterter Funktionalität und erhöhter Leistung, was monolithisch integrierte GaN-Leistungs-ICs einen entscheidenden Schritt weiterbringt. Diese Errungenschaft ebnet den Weg zu kleineren und effizienteren DC/DC-Wandlern und Point-of-Load-Wandlern.

GaN-Leistungselektronik wird heute noch von diskreten Komponenten dominiert, die von einem externen Treiber-IC angesteuert werden, der die Schaltsignale erzeugt. Um jedoch die Vorteile der schnellen Schaltgeschwindigkeit von GaN voll auszunutzen, wird eine monolithische Integration von Leistungsbauelementen und Treiberfunktionen empfohlen. Imec hat bereits erfolgreich die monolithische Ko-Integration einer Halbbrücke und von Treibern zusammen mit Steuer- und Schutzschaltungen demonstriert, die der Schlüssel zu einem integrierten Voll-GaN-Leistungs-IC in einem Chip sind.

Eines der Haupthindernisse für die Steigerung der vollen Leistung von GaN-Leistungs-ICs ist die Suche nach einer geeigneten Lösung für den Mangel an p-Kanal-Bauelementen in GaN mit akzeptabler Leistung. In der CMOS-Technologie werden komplementäre und symmetrischere Paare von p- und n-Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet, die auf den Mobilitäten von Löchern und Elektronen für beide FET-Typen basieren. In GaN ist die Mobilität von Löchern jedoch etwa 60 Mal schlechter als die von Elektronen. Das bedeutet, dass ein p-Kanal-Bauelement, bei dem Löcher die Hauptladungsträger sind, 60-mal größer wäre als das n-Kanal-Gegenstück und äußerst ineffizient. Eine weit verbreitete Alternative ist das Ersetzen des P-MOS durch einen Widerstand. Die Widerstands-Transistor-Logik (RTL) wurde für GaN-ICs eingesetzt, weist aber Kompromisse zwischen Schaltzeit und Stromverbrauch auf.

"Wir haben die Leistung von GaN-ICs verbessert, indem wir eine Kombination aus Enhancement-Mode- und Depletion-Mode-Schaltern, so genannte e-Mode- und d-Mode-HEMTS, verwendet haben. Indem wir unsere funktionale e-mode HEMT-Plattform auf SOI mit ko-integrierten d-mode HEMTS erweitern, können wir nun den Schritt von RTL zu direkt gekoppelter FET-Logik machen, was die Geschwindigkeit der Schaltungen verbessern und die Verlustleistung reduzieren wird", erklärt Stefaan Decoutere, Program Director GaN Power Systems bei imec.

Eine weitere wichtige Komponente für die Ko-Integration in GaN-Leistungs-ICs ist eine Schottky-Barriere-Diode. Im Vergleich zu ihren Silizium-Pendants kombinieren GaN-Schottky-Dioden höhere Sperrspannungen mit geringeren Schaltverlusten.

"Wir haben unsere 200-V-GaN-on-SOI-E-Mode-HEMT-GaN-IC-Plattform erfolgreich um monolithisch integrierte Hochleistungs-Schottky-Barriere-Dioden und D-Mode-HEMTs erweitert, was uns einen Schritt näher an intelligente Leistungs-ICs auf GaN-Basis bringt. Diese GaN-IC-Plattform ist über unseren Multi-Project-Wafer (MPW)-Service für das Prototyping verfügbar", fügt Stefaan Decoutere hinzu. "Unsere Plattform ist bereit für die Weitergabe an Partner. Wir sind auf der Suche nach Foundries, aber auch nach Designhäusern und Endanwendern. Der nächste Schritt wird die Entwicklung und Freigabe einer 650-Volt-Version der Plattform sein. Zu den Zielanwendungen für die GaN-on-SOI-Technologie gehören Hochspannungsschaltungen und Leistungsumwandlungen, Schnellladegeräte für Mobiltelefone, Tablets und Laptops sowie On-Board-Ladegeräte für Elektroautos und Wechselrichter für den Anschluss von Solarmodulen an das Stromnetz".