HHRI/GaN元件技術開發與單晶片集成電路的開發與挑戰

【鴻海研究院】
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近年來,氮化鎵(GaN)、碳化矽 (SiC)等材料在功率半導體的應用上逐漸受到重視,主要原因在於其相較於矽基元件,具有更高的崩潰電場及崩潰電壓的承受能力,更適合應用在高功率及高頻環境下操作。但是,在實際應用面仍有許多挑戰需要克服,而GaN 的製程缺陷也是目前單片集成晶片的最大挑戰

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國立陽明交通大學電機工程學系講座教授陳科宏於SEMICON TAIWAN 2022功率暨光電半導體論壇上,特別說明目前 GaN 元件技術開發所遇到的問題,及如何克服 GaN 單晶片集成電路面臨的技術挑戰。以下為精彩演講內容摘要:

GaN 元件技術開發的重大挑戰

由於 GaN 的基板製作技術仍在持續發展中,而目前較被業界大量使用的方式,是將GaN 磊晶成長在六吋矽晶圓上的技術,也同步開發長在八吋晶圓上。此技術一旦成熟後,基板的製作成本便可大幅下降。但是,矽基板與 GaN 的晶格常數會因為差異過大導致過多的晶格缺陷存在,進而導致元件性能不好或良率過低而無法量產。因此,有廠商便嘗試將 GaN 成長在 SiC 基板上,雖然基板的缺陷密度因此下降了,但是製作成本卻大幅提高。

另一方面,由 GaN 製作出來的高電子移動率場效電晶體(HEMT)具有高電壓操作、低寄生電容、低導通電阻,及趨近於零的逆向回復電流等特性,因此適合在高頻及高功率密度狀態下操作。目前GaN HEMT主要分為兩種電晶體架構:增強型(E-mode 或稱正常狀態下關閉)電晶體、空乏型(D-mode或稱正常狀態下開啟)電晶體。

E-mode 電晶體主要的製造商包括 GaN Systems 及 Navitas 兩家公司;D-mode 電晶體部分則分別由 Transphorm 及德州儀器製作。雖然 E-mode GaN HEMT 相較 D-mode GaN HEMT來得容易操作,但是臨界電壓對溫度的變化卻比 D-mode GaN HEMT 來得大,導致在高溫下操作時,速度會變慢甚至可能出現電路失效的狀況。而 D-mode GaN HEMT 則需要額外的驅動電路將其轉變成 E-mode 形式操作。

GaN HEMT的缺陷主要是,當操作溫度上升時,熱載子會從通道注入到 AlGaN 及Buffer layer ,近一步導致電流減少。另一個問題則是前面提到的,在 GaN 及矽晶圓的buffer layer 有許多磊晶成長所形成的缺陷,這部分也會抑制電流的流通,並增加導通阻抗。因此,該如何從驅動電路的設計出發,彌補這些缺陷所造成的影響,讓 GaN HEMT 可以在高溫下穩定操作,也就成了當前熱門的研究題目。

此外,偵測元件是否有短路現象造成元件毀損風險,進而啟動保護電路以保護元件,也是目前在整合 GaN 單晶片電路的重要項目之一。搭載電流感測器是目前業界認為最佳的保護方式。在電感式負載操作下,元件在切換瞬間會因為電感效應而導致瞬間突波,這將造成很大的功率消耗及損毀元件風險,因此需要有偵測突波的電路以保護元件。

透過電路控制電晶體,降低電晶體毀損風險

如果能將這些偵測或保護電路,藉由整合單晶片電路方式跟 GaN HEMT 製作在一起的話,就能有效的偵測 GaN HEMT 的特性變化,透過電路控制電晶體的操作特性,進而避免電路失效或降低電晶體毀損的風險。

目前製作 GaN 整合單晶片電路的方式是製作出低壓(12V)的 E-mode GaN HEMT 及 D-mode GaN HEMT ,並與高壓 (650V) 的 E-mode GaN HEMT 在 GaN on Si 的基板上透過半導體製造技術一起製作出來。其中低壓的 GaN HEMT 元件是用來偵測、保護電路及驅動電路以控制高壓的 GaN HEMT 元件。

總結上述,GaN 整合單晶片解決方案可以提供功率超過 240W 並符合 USB 3.0 規範。200~300W 的交流轉直流轉換器也可以被製作出來,在 8 吋矽晶圓上製作的GaN 基板也會在 2023 年開始被製造出來,而在 8 吋 SiC 晶圓上製作的 GaN 基板則會在2024年被製造而成。亦即,隨著技術演進,具智慧型電流偵測功能的 GaN 整合單晶片解決方案將會被實現。(洪嘉隆編譯)

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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