【CASICON 2021】中科院上海微系统研究所郑理:SOI基GaN材料及功率器件集成技术

日期:2021-09-15     来源:半导体产业网    
核心提示:报告从材料优势、集成优势、成本优势等角度分享了最新研究成果。
宽禁带半导体已列入国家重大战略,面向国家重大战略需求,将“宽禁带半导体优于硅的性能优势 ”与“硅基CMOS技术”互补,为解决我国集成电路“痛中之痛”关键核心技术问题提供途径。
 
Si基GaN外延技术是实现大面积、低成本GaN外延片的主要技术,相对于GaN-on-Si而言,GaN-on-SOI技术在材料、集成与成本方面均具有显著优势。
 
9月13-14日,“2021中国(南京)功率与射频半导体技术市场应用峰会(CASICON 2021)”在南京召开。本届峰会由半导体产业网、第三代半导体产业主办,并得到了南京大学、第三代半导体产业技术创新战略联盟的指导。
 郑理
会上,中国科学院上海微系统与信息技术研究所郑理博士带来了“SOI基GaN材料及功率器件集成技术”的精彩报告,结合国内外研究现状报告从材料优势、集成优势、成本优势等角度分享了微系统所最新研究成果。
 
材料优势方面,GaN-on-Si非绝缘Si衬底导致漏电通道的存在,造成器件间的物理绝缘很难实现;再者,Si的电场击穿强度较低(0.3 MV/cm),GaN-on-Si器件在高压下易发生垂直方向的电学击穿。若采用GaN-on-SOI技术,SOI BOX层的介质隔离可完全避免Si衬底漏电通道产生,且可抑制高压下垂直方向的电学击穿。另外,SOI衬底外延GaN过程中,薄膜SOI材料通过顶层硅与外延层的界面滑移,将一部分晶格失配应力通过界面滑移释放,从而降低残留应变和GaN外延层的缺陷密度。
 
集成优势方面,电源转换系统中功率转换拓扑结构通常是半桥和全桥结构,高低边的GaN功率器件和其驱动电路仍通过PCB板级布线连接,寄生电感高、且PCB面积大。为降低寄生电感,减小PCB板面积,提高系统高频性能,将驱动芯片和半桥或全桥开关集成是高频电源转换器的发展趋势。单芯片集成GaN开关器件,即在同一芯片上同时集成高、低边器件,不仅可以降低寄生电感、减小芯片面积、还可以提高半桥或全桥的性能。
 
现有的GaN-on-Si功率集成是由分立元件构成。通过使用GaN-on-Si技术在芯片上实现半桥(尤其在高压下)是极具挑战的,不仅在性能上受到背底效应的限制,导致电流降低,器件间串扰还会负面影响到半桥高侧的开关及干扰控制电路的开关噪声等。若采用GaN-on-SOI技术实现功率器件、驱动器和控制逻辑的电流隔离,可完全避免上述的负面效应。若更进一步,通过设计用于驱动高边开关的共同集成电压转换器,避免(重叠栅极输入波形的)死区时间控制器以及(片上脉冲宽度)调制电路,可以制造高度集成的降压和升压转换器。
 
成本优势方面,部分学者认为使用SOI代替Si晶圆将导致更昂贵的成本。然而GaN-on-Si需要单独封装几个分立器件,且需使用先进的封装以避免影响GaN快速开关性能,并将其连接到驱动器及PCB板上。相反,若采用GaN-on-SOI技术,包括驱动器和模拟模块等在内的完整转换器可片上集成,且可采用简单的封装技术封装(因为频率敏感元件已经在芯片上连接),这大大节省了最终电力系统的成本。
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