IEDM2024 | GaN功率器件技术的发展
引言氮化镓(GaN)功率器件正在改变功率电子行业，提升了许多消费类应用的效率。GaN技术已经在65W到3.2kW的低功率应用中得到广泛应用，如快速充电器和电源。近期的技术突破正在推动GaN向高功率应用发展，这将对经济、生态和社会产生重要影响。
1
高压GaN技术
1200V GaN技术的开发是功率电子领域的重要进展。GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)能够覆盖从100V到1200V的商用电压范围，可以有效地与硅基IGBT、硅基CoolMOS和碳化硅晶体管竞争。
图1：采用低成本、大尺寸绝缘蓝宝石衬底的1200V GaN HEMT级联结构示意图。图中展示了器件结构、SiC和GaN性能参数对比以及性能特性。
使用蓝宝石作为衬底材料是一项重要突破，其优异的电绝缘性能可以消除漏极和衬底之间的击穿。在前端制造过程中，蓝宝石上的III族氮化物缓冲层厚度可以减少超过60%，这显著降低了外延成本，同时在150mm和200mm衬底上都保持了良好的晶体质量和高电绝缘性。在后端工艺中，可以将蓝宝石减薄至150-200μm以匹配硅的导热性能。蓝宝石已经是GaN LED的首选衬底，具有丰富的工艺知识和工业化大规模生产生态系统。
实验结果表明，采用TO-247封装的70mΩ蓝宝石基双芯片常关型GaN FET，在50kHz工作频率下实现了900:450V降压转换器超过99%的效率。该器件展现出优异的开关性能指标，Ron?Qg = 0.9Ω?nC，Ron?Qrr = 11Ω?nC。这些结果表明，经过优化的蓝宝石基GaN技术可以在1200V功率器件市场中具有很强的竞争力。
2
大电流能力
图2：单个10mΩ GaN芯片的开关波形和效率曲线，实现了99.3%的记录性效率和14kW的输出功率，结温仅为120°C。
大电流GaN技术的进步体现在导通电阻为10mΩ、额定直流电流超过170A的原型器件上。该芯片面积达到数十平方毫米，可以装入常规的TO-247-3L封装。硬开关波形显示，器件达到了50V/ns和4A/ns的开关速度，支持高功率和高频率开关。在50kHz硬开关模式下运行的240V:400V升压转换器效率在4kW时达到峰值99.3%，并平稳降至14kW。值得注意的是，在14kW时，结温仅为120°C，表明还有进一步提升功率的空间。
这种优异性能的原因在于快速的开关速度最小化了开关损耗，在级联配置中与低压Si-MOSFET组合的耗尽型GaN具有低动态导通电阻（小于10%），以及较低的电阻温度系数（150°C和25°C之间小于1.8倍，类似于SiC沟槽MOSFET技术），这些特性共同贡献了运行中的低导通损耗。
3
增强的安全特性
图3：专利GaN技术实现电机驱动逆变器中5μs短路耐受时间的示意图。
在电机驱动应用中，GaN器件不仅要通过严格的JEDEC或AEC-Q0101认证，还必须能够承受由过载、击穿、固件错误、电流浪涌或外部故障条件引起的短路事件。2021年，Transphorm公司展示了一项专利GaN技术，在50mΩ器件上实现了高达3微秒的短路耐受时间(SCWT)。今年，该技术取得显著进步，在15mΩ器件上实现了5μs的SCWT，该器件能够处理高功率运行(12kW)。该器件采用TO-247封装，额定电压为650V，额定直流电流为145A。在drain偏压400V时展现出5μs的短路耐受时间，并通过了1000小时175°C高温反向偏压应力测试。这些数据说明了GaN器件的适应性，打破了关于GaN不具备短路能力的传统认识。值得注意的是，现代栅极驱动器的保护响应时间约为1μs，确保了足够的时间来检测故障并安全关闭系统，避免器件失效。
4
双向开关创新
图4：具有公共漏极和共享漂移区的单片集成GaN双向开关，实现更小的占位面积、更好的性能指标和更少的器件数量。
图5：采用耗尽型单片GaN与低压Si-FET级联配置的GaN双向开关(BDS)实现方案，提供增强的阈值电压、栅极裕度、可靠性和抗噪声能力。
图6：使用GaN BDS的电路拓扑，展示了隔离式矩阵双向有源桥和非隔离式T型中性点钳位结构，用于高效率功率转换。
得益于横向结构，GaN器件非常适合单片集成。通过将两个晶体管反向串联进行单片集成，创造了所谓的"双向开关"。双向开关具有两个相对的源极，由两个相对的栅极控制，可以双向导通电流和承受双极性电压。这种独特于GaN的简单器件结构对于AC前端应用具有重要意义，因为功率器件需要承受正负交流波。
在这项工作中，展示了一种GaN双向技术，其中单片集成的耗尽型双向GaN HEMT与两个低压硅MOSFET形成级联配置以实现常关运行。HEMT的单片集成允许共享高压漂移区，与两个分立GaN开关相比，die尺寸减少了40%。低压硅MOSFET实现了高阈值电压(4V)，高栅极裕度(+20V)，高可靠性以及对噪声和寄生开启的高抗扰度。双向级联器件使用叠层die技术集成，以最小化占位面积和互连电阻及电感。该解决方案组装在带有隔离tab的单个TO-247封装中。
图7：GaN BDS在单级AC/DC前端中的开关波形，采用矩阵有源桥结构，显示三相正弦AC输入和DC输出特性。
GaN双向开关已在矩阵有源桥中进行了单级AC/DC前端测试，结果显示能够在两种AC极性下实现电压阻断并成功进行系统演示。这些技术进步正在推动数据中心、人工智能、交通运输和可再生能源系统等各种应用中更高效、更紧凑、更可靠的功率转换系统的发展。
参考文献
U. K. Mishra, D. Bisi, G. Gupta, C. J. Neufeld, and P. Parikh, "The Future of GaN is also High Voltage, High Current, and Bidirectional," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024
END
软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含：代码绘版软件PhotoCAD，DRC软件pVerify，片上链路仿真软件pSim，光纤系统仿真软件pSim+等。更多新功能和新软件将于近期发布，敬请期待！
点击左下角"阅读原文"马上申请
欢迎转载
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
关注我们
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）
页:
[1]