Imec开发了GaN半桥与驱动器的协整方法以提高性能

在上个月的PCIM 2019上，imec宣布了一款与驱动器集成的功能性GaN半桥。该新闻稿描述了该芯片如何安装在降压转换器测试板上，将48 V的输入电压转换为1 V的输出电压，脉冲宽度调制信号为1 MHz。该成果利用了imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST®技术平台，降低了寄生电感并提高了换流速度。

该新闻稿接着说，氮化镓电力电子产品主要是现成的分立元件。半桥-电力系统中常见的子电路-由单独的分立元件制造，或者在单独的封装中，或者集成在一个封装中，特别是对于更高的电压范围。利用GaN-on-Si技术在芯片上实现半桥是非常具有挑战性的，特别是在高电压下。这是因为基于GaN-on-Si技术设计的半桥在性能上受到了后门效应的限制，这种效应会对半桥的高侧开关产生负面影响，并且开关噪声会干扰控制电路。

为了释放GaN电源技术的全部潜力，imec将半桥和驱动器单片协同集成在一个GaN- ic芯片中。通过低压逻辑晶体管、一套用于低欧姆和高欧姆电阻的无源元件以及一个mim -电容器，可以在一个芯片上实现高端集成电源系统。

Imec的解决方案建立在Imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST®技术平台之上，通过埋藏氧化物和填充氧化物的深沟槽隔离，可以对功率器件、驱动器和控制逻辑进行电流隔离。这种隔离方案不仅消除了对半桥高侧开关产生负面影响的不利背门效应，而且降低了干扰控制电路的开关噪声。通过设计用于驱动高侧开关的协积电平移位器、用于避免门输入波形重叠的死区时间控制器和片上脉宽调制电路，可以制造出高度集成的降压和升压转换器。

在2018年国际氮化物半导体研讨会上，他们就这一主题进行了以下总结:

GaN功率集成电路的单片集成由于具有更高的开关速度、更好的功率转换效率和更紧凑的芯片体积而受到广泛关注[1,2]。然而，邻近器件之间的隔离以及衬底偏压的影响仍不清楚。Imec最近证明，采用沟槽隔离的GaN-on-SOI可以有效地隔离器件，抑制串扰，简化衬底偏置，并消除背闸效应[3,4]。比较了在GaN-on-Si参考晶片上和在GaN-on-SOI上进行沟槽隔离的半桥的制备。在GaN-on-SOI上制备的36 mm e-mode p-GaN hemt具有6 Ω mm的低导通电阻，2.5 V的高阈值电压，1 μA/mm以下的低关断漏极(@ VDS=200 V)，沟槽隔离的水平漏极和SiO2埋地层的垂直漏极均超过500 V，满足200 V应用要求。对于GaN-on-Si，普通导电Si(111)衬底只能固定在一个电压。相比之下，由于沟槽隔离，GaN-on-SOI上每个器件下的Si(111)器件层可以单独偏置。为了模拟半桥中高频器件的实际工作状态，器件的源电压VS2偏置在0、100和200 V, VG2-S2和VD2-S2分别保持在5和1 V。由于负电压差VB-S2耗尽了2DEG，在GaN-on-Si上的HS上观察到50%的电流减少，这被称为背闸效应。相比之下，在GaN-on-SOI上完全消除了这个问题，因为沟槽隔离使得HS和低侧(LS)的衬底可以连接到各自的源端，以保持VB1-S1 = VB2-S2 = 0 V。

为了进一步提高这些单片集成电源系统的性能，imec旨在通过其他协集成组件扩展其平台，例如肖特基二极管和耗尽模式hemt。

为了促进GaN电力电子领域的创新，我们的多项目晶圆(MPW)服务提供GaN- ic平台，可用于原型设计。高端电力系统在开关速度、工作频率或能源效率方面具有前所未有的性能，电感寄生率降低，外形尺寸减小，这将进一步推动GaN在消费和可重复使用能源细分市场中用于电源的使用。

引用:
[1]李海峰，李海峰，李海峰等，电子工程学报，2015,pp. 381-387。
[2]李晓明，李晓明，李晓明，《电子工程学报》，2016年11月，pp. 215-219。
[3]李晓东，李晓东，李晓东，等。电子器件学报，38(2)(2017)。
[4]李晓东，李晓东，李晓东，电子器件学报，doi: 10.1109/LED.2018.2833883。