Wznosząc układy scalone mocy z azotku galu na wyższy poziom, naukowcy z firmy Imec donoszą o współintegracji diod barierowych Schottky'ego i tranzystorów o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) na jednej, inteligentnej platformie zasilania. Postęp, o którym poinformowano podczas Międzynarodowego Spotkania Urządzeń Elektronowych odbywającego się w tym tygodniu, łączy wysokowydajne diody barierowe Schottky'ego i elementy HEMT w układzie GaN z kanałem typu P, opartym na HEMT. Platforma została opracowana na podłożu o średnicy 200 mm. Połączenie to umożliwia projektowanie układów scalonych o zwiększonej funkcjonalności i wydajności. Imec twierdzi, że integracja ta toruje drogę mniejszym, bardziej wydajnym przetwornicom DC/DC i impulsowym stabilizatorom zasilania.
„Tranzystory typu D HEMT umożliwiają poprawę parametrów ważnych zarówno dla elementów logicznych, jak i analogowych poprzez zastąpienie funkcji odwracających RTL [Resistor/Transistor Logic] przez DCFL [Direct-Coupled FET Logic], co poprawia charakterystykę podciągania bramek odwracających” — wskazuje w wywiadzie Stefaan Decoutere, dyrektor programowy Imec ds. technologii GaN. „Nie ma dobrych urządzeń z kanałem typu P produkowanych z GaN — ruchliwość dziur jest około 60 razy mniejsza w porównaniu z elektronami — toteż logika komplementarna, taka jak w CMOS, nie jest realistycznie osiągalna. Niskonapięciowa dioda Schottky'ego oferuje dodatkowe funkcje na chipie, takie jak przesuwanie poziomu i ograniczanie napięcia. Dioda Schottky'ego o wysokim napięciu pracy może być wykorzystana do poprawy działania w trzecim kwadrancie klucza niskiego napięcia, aby uzyskać lepszą wydajność energetyczną” — dodaje Decoutere.
Następnym krokiem jest opracowanie prototypowego układu scalonego GaN i przeniesienie procesu na tańszy 200-milimetrowy substrat. Wcześniej „GaN-na-Si był przetwarzany na podłożach o mniejszej średnicy [typowo 4 i 6 cali — przyp. red.], a teraz wiele fabryk przeniosło swoją technologię GaN do substratów 200 milimetrów” — tłumaczy Decoutere. Wyzwaniem dla podłoży GaN-na-Si o większej średnicy jest stabilność mechaniczna podłoży, biorąc pod uwagę niedopasowanie między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej warstw GaN/AlGaN a leżącym poniżej podłożem krzemowym. „Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu bufora, np. supersieciowego i ulepszonym narzędziom do osadzania MOCVD, problem stabilności mechanicznej został rozwiązany, umożliwiając przetwarzanie GaN na podłożach 200 mm” — odznaczył naukowiec z Imec.
GaN HEMT
Azotek galu — GaN — to półprzewodnik o szerokiej przerwie wzbronionej zyskujący popularność w zastosowaniach energetycznych, które wcześniej były zdominowane przez komponenty na bazie krzemu. Wysoka sprawność, zdolność do działania przy wyższych częstotliwościach przełączania i temperaturach niż w przypadku krzemu oraz mniejsza powierzchnia zajmowana przez elementy GaN, to atrybuty umożliwiające danemu materiałowi lepszą obsługę wymagających aplikacji zasilania.
GaN HEMT przyciągnęły uwagę ze względu na szereg zastosowań, w tym we wzmacniaczach mocy o wysokiej częstotliwości i urządzeniach wysokonapięciowych używanych w energoelektronice. Ich rozwój koncentruje się obecnie na elementach GaN HEMT z podłożami na bazie krzemu. Ma to na celu zmniejszyć koszty i przyspieszyć integrację z komponentami krzemowymi. Ze względu na niedopasowanie sieciowe i termiczne między GaN i Si, często powstają defekty na granicy faz GaN-Si.
GaN HEMT mają mniejszą wartość Rds(on) i parametr FOM. FOM może być od czterech do dziesięciu razy niższy niż w przypadku superzłączowych FET-ów, w zależności od wskazań napięcia i prądu. W rezultacie elementy GaN doskonale nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Straty przy przewodzeniu są niższe, a w konsekwencji sprawność wyższa, gdy używany jest GaN HEMT z niewielką wartością RDS(on).
Nie ma również ładunku zwrotnego w GaN HEMT, ponieważ nie mają one diody wbudowanej. Urządzenia te cechuje zmienna charakterystyka w zależności od napięcia bramki oraz są zdolne do przewodzenia odwrotnego. Diody podłączone antyrównoległe nie są wymagane, co oznacza, że zdolność przewodzenia wstecznego jest zaletą na poziomie systemu w porównaniu z typowymi tranzystorami IGBT. Eliminując straty powrotne, GaN umożliwia sprawną pracę nawet przy wysokich częstotliwościach przełączania.
Sterowanie
Kontrolowanie urządzeń GaN jest trudniejsze niż sterowanie zwykłym MOSFET-em, ponieważ GaN wymaga krótszych czasów włączania i wyłączania (co oznacza wyższe dV/dt). A także niższego i ściślej kontrolowanego napięcia włączania bramki. Optymalizacja indukcyjności pętli bramkowej i zasilania, rezystorów bramkowych, jak również drenu i źródła to kluczowe wyzwania dla sterowania elementami GaN na poziomie płytki. Projektanci muszą skoncentrować się na kontroli czasu martwego, odporności na zakłócenia dV/dt, ujemnym napięciu źródła i przeładowaniu na poziomie sterownika bramki. Symetria między górną i dolną stroną sterownika bramki jest kolejnym ważnym czynnikiem, ponieważ wymaga dopasowania opóźnienia poniżej 1 ns, tym samym, zmniejszając czas martwy.
Elektronika mocy oparta o GaN pozostaje w większości komponentami dyskretnymi wymagającymi zewnętrznego układu scalonego w postaci sterownika do generowania sygnałów przełączających. Jednak przy integracji funkcji sterownika w urządzeniu monolitycznym można jeszcze lepiej wykorzystać wysoką prędkość przełączania GaN.
Wśród przeszkód w opracowywaniu układów zasilania GaN problemem jest głównie brak urządzeń z kanałem typu P GaN o akceptowalnych parametrach. Technologia CMOS wykorzystuje symetryczne pary tranzystorów FET typu P i N z podobną ruchliwością dziur i elektronów. Jednak w przypadku GaN ruchliwość dziur jest około 60 razy gorsza niż elektronów. To znaczy, że urządzenie z kanałem typu P, w którym dziury są nośnikami większościowymi, byłoby 60 razy większe niż jego odpowiednik z kanałem typu N, co czyniłoby je wysoce nieefektywnym w rzeczywistej aplikacji. Jedną z alternatyw jest zastąpienie P-MOS-ów tranzystorem z opornikiem, co pozwala na kompromisy między czasem przełączania a zużyciem energii (patrz poniżej).
Przekroje procesowe komponentów wysokonapięciowych wytworzonych na podłożach 200 mm GaN-on SOI (a) pGaN-HEMT w trybie e (b) MIS-HEMT w trybie d, (c) dioda barierowa Schottky'ego. Wszystkie urządzenia zawierają metalowe płytki polowe oparte na warstwach metalowych typu front-end i interkonekt, oddzielone warstwami dielektrycznymi.
Firma Imec twierdzi, że poprawiła parametry dzięki połączeniu urządzeń HEMT w trybie E i E. Według Decoutere, rozszerzenie platformy funkcjonalnej E-mode HEMT na SOI o skoordynowane tranzystory D-mode HEMT umożliwia zwiększenie prędkości i redukcję rozpraszania mocy w obwodach. Innym kluczowym elementem dla integracji układów scalonych GaN mocy jest dioda barierowa Schottky'ego. Diody Schottky GaN łączą w sobie wyższe napięcia blokowania z mniejszymi stratami przełączania niż analogiczne elementy krzemowe.
Jak twierdzi Imec, platforma GaN-IC jest już dostępna do prototypowania za pośrednictwem usługi wafla wieloprojektowego oraz dla partnerów firmy.
Celem firmy jest obecnie opracowanie wersji 650 V do zastosowań związanych z przełączaniem i konwersją zasilania wysokiego napięcia oraz dla szybkich ładowarek do smartfonów, tabletów i laptopów.
Źródło: https://www.eetimes.com/schottky-diodes-hemts-integrated-with-gan-ic/
„Tranzystory typu D HEMT umożliwiają poprawę parametrów ważnych zarówno dla elementów logicznych, jak i analogowych poprzez zastąpienie funkcji odwracających RTL [Resistor/Transistor Logic] przez DCFL [Direct-Coupled FET Logic], co poprawia charakterystykę podciągania bramek odwracających” — wskazuje w wywiadzie Stefaan Decoutere, dyrektor programowy Imec ds. technologii GaN. „Nie ma dobrych urządzeń z kanałem typu P produkowanych z GaN — ruchliwość dziur jest około 60 razy mniejsza w porównaniu z elektronami — toteż logika komplementarna, taka jak w CMOS, nie jest realistycznie osiągalna. Niskonapięciowa dioda Schottky'ego oferuje dodatkowe funkcje na chipie, takie jak przesuwanie poziomu i ograniczanie napięcia. Dioda Schottky'ego o wysokim napięciu pracy może być wykorzystana do poprawy działania w trzecim kwadrancie klucza niskiego napięcia, aby uzyskać lepszą wydajność energetyczną” — dodaje Decoutere.
Następnym krokiem jest opracowanie prototypowego układu scalonego GaN i przeniesienie procesu na tańszy 200-milimetrowy substrat. Wcześniej „GaN-na-Si był przetwarzany na podłożach o mniejszej średnicy [typowo 4 i 6 cali — przyp. red.], a teraz wiele fabryk przeniosło swoją technologię GaN do substratów 200 milimetrów” — tłumaczy Decoutere. Wyzwaniem dla podłoży GaN-na-Si o większej średnicy jest stabilność mechaniczna podłoży, biorąc pod uwagę niedopasowanie między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej warstw GaN/AlGaN a leżącym poniżej podłożem krzemowym. „Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu bufora, np. supersieciowego i ulepszonym narzędziom do osadzania MOCVD, problem stabilności mechanicznej został rozwiązany, umożliwiając przetwarzanie GaN na podłożach 200 mm” — odznaczył naukowiec z Imec.
GaN HEMT
Azotek galu — GaN — to półprzewodnik o szerokiej przerwie wzbronionej zyskujący popularność w zastosowaniach energetycznych, które wcześniej były zdominowane przez komponenty na bazie krzemu. Wysoka sprawność, zdolność do działania przy wyższych częstotliwościach przełączania i temperaturach niż w przypadku krzemu oraz mniejsza powierzchnia zajmowana przez elementy GaN, to atrybuty umożliwiające danemu materiałowi lepszą obsługę wymagających aplikacji zasilania.
GaN HEMT przyciągnęły uwagę ze względu na szereg zastosowań, w tym we wzmacniaczach mocy o wysokiej częstotliwości i urządzeniach wysokonapięciowych używanych w energoelektronice. Ich rozwój koncentruje się obecnie na elementach GaN HEMT z podłożami na bazie krzemu. Ma to na celu zmniejszyć koszty i przyspieszyć integrację z komponentami krzemowymi. Ze względu na niedopasowanie sieciowe i termiczne między GaN i Si, często powstają defekty na granicy faz GaN-Si.
GaN HEMT mają mniejszą wartość Rds(on) i parametr FOM. FOM może być od czterech do dziesięciu razy niższy niż w przypadku superzłączowych FET-ów, w zależności od wskazań napięcia i prądu. W rezultacie elementy GaN doskonale nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Straty przy przewodzeniu są niższe, a w konsekwencji sprawność wyższa, gdy używany jest GaN HEMT z niewielką wartością RDS(on).
Nie ma również ładunku zwrotnego w GaN HEMT, ponieważ nie mają one diody wbudowanej. Urządzenia te cechuje zmienna charakterystyka w zależności od napięcia bramki oraz są zdolne do przewodzenia odwrotnego. Diody podłączone antyrównoległe nie są wymagane, co oznacza, że zdolność przewodzenia wstecznego jest zaletą na poziomie systemu w porównaniu z typowymi tranzystorami IGBT. Eliminując straty powrotne, GaN umożliwia sprawną pracę nawet przy wysokich częstotliwościach przełączania.
Sterowanie
Kontrolowanie urządzeń GaN jest trudniejsze niż sterowanie zwykłym MOSFET-em, ponieważ GaN wymaga krótszych czasów włączania i wyłączania (co oznacza wyższe dV/dt). A także niższego i ściślej kontrolowanego napięcia włączania bramki. Optymalizacja indukcyjności pętli bramkowej i zasilania, rezystorów bramkowych, jak również drenu i źródła to kluczowe wyzwania dla sterowania elementami GaN na poziomie płytki. Projektanci muszą skoncentrować się na kontroli czasu martwego, odporności na zakłócenia dV/dt, ujemnym napięciu źródła i przeładowaniu na poziomie sterownika bramki. Symetria między górną i dolną stroną sterownika bramki jest kolejnym ważnym czynnikiem, ponieważ wymaga dopasowania opóźnienia poniżej 1 ns, tym samym, zmniejszając czas martwy.
Elektronika mocy oparta o GaN pozostaje w większości komponentami dyskretnymi wymagającymi zewnętrznego układu scalonego w postaci sterownika do generowania sygnałów przełączających. Jednak przy integracji funkcji sterownika w urządzeniu monolitycznym można jeszcze lepiej wykorzystać wysoką prędkość przełączania GaN.
Wśród przeszkód w opracowywaniu układów zasilania GaN problemem jest głównie brak urządzeń z kanałem typu P GaN o akceptowalnych parametrach. Technologia CMOS wykorzystuje symetryczne pary tranzystorów FET typu P i N z podobną ruchliwością dziur i elektronów. Jednak w przypadku GaN ruchliwość dziur jest około 60 razy gorsza niż elektronów. To znaczy, że urządzenie z kanałem typu P, w którym dziury są nośnikami większościowymi, byłoby 60 razy większe niż jego odpowiednik z kanałem typu N, co czyniłoby je wysoce nieefektywnym w rzeczywistej aplikacji. Jedną z alternatyw jest zastąpienie P-MOS-ów tranzystorem z opornikiem, co pozwala na kompromisy między czasem przełączania a zużyciem energii (patrz poniżej).
Przekroje procesowe komponentów wysokonapięciowych wytworzonych na podłożach 200 mm GaN-on SOI (a) pGaN-HEMT w trybie e (b) MIS-HEMT w trybie d, (c) dioda barierowa Schottky'ego. Wszystkie urządzenia zawierają metalowe płytki polowe oparte na warstwach metalowych typu front-end i interkonekt, oddzielone warstwami dielektrycznymi.
Firma Imec twierdzi, że poprawiła parametry dzięki połączeniu urządzeń HEMT w trybie E i E. Według Decoutere, rozszerzenie platformy funkcjonalnej E-mode HEMT na SOI o skoordynowane tranzystory D-mode HEMT umożliwia zwiększenie prędkości i redukcję rozpraszania mocy w obwodach. Innym kluczowym elementem dla integracji układów scalonych GaN mocy jest dioda barierowa Schottky'ego. Diody Schottky GaN łączą w sobie wyższe napięcia blokowania z mniejszymi stratami przełączania niż analogiczne elementy krzemowe.
Jak twierdzi Imec, platforma GaN-IC jest już dostępna do prototypowania za pośrednictwem usługi wafla wieloprojektowego oraz dla partnerów firmy.
Celem firmy jest obecnie opracowanie wersji 650 V do zastosowań związanych z przełączaniem i konwersją zasilania wysokiego napięcia oraz dla szybkich ładowarek do smartfonów, tabletów i laptopów.
Źródło: https://www.eetimes.com/schottky-diodes-hemts-integrated-with-gan-ic/
Fajne? Ranking DIY
