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我们的电气化世界包含无数功率转换的例子。在该领域，基于GaN的功率器件因其能够高速切换高压而引起了广泛关注。然而，这种宽带隙技术存在担忧。在采用GaN的功率系统中，电感元件在开关过程中会产生振铃和尖峰，最终导致故障风险增加。解决这个问题的一种越来越流行的方法是通过转向单片集成栅极驱动器和半桥配置来消除寄生电感元件。然而，这种方法受到了影响，最先进的基于GaN的单片集成仅限于650V。鉴于电力电子系统的快速发展需要额定电压高于1200V 的功率器件，这远非理想。图 1.（a）基于1200V E型GaN的单片半桥集成平台上的Lamb键。（b）沟槽隔离照片。（c）键合制造工艺。（d）1200V的GaN-HEMT单片半桥集成电路的扫描电子显微镜影像。 GaN功率器件的传统基础是硅衬底。虽然它成本低且广泛可用，但它受到导电性的影响，这是传统650V硅基GaN平台中垂直击穿和串扰的罪魁祸首。这些都是重大限制，阻碍了提高单片集成额定电压的努力。进步需要一种更激进的方法，例如我们在东南大学和CorEnergy Semiconductor采取的方法。我们的合作伙伴关系正在开创一种超薄缓冲技术，在蓝宝石衬底上实现浅沟槽隔离。使用这种方法，我们实现了一个抑制串扰的1200V单片半桥集成平台。图2.（a）HV p-GaN HEMT的阻塞特性。（b）不同栅极到漏极长度的提取阻断电压（LGD). （c）不同温度下的终端电容。（d）双脉冲测试导通过程的开关特性。（e）双脉冲测试关断过程的开关特性。（f）比较蓝宝石基GaN和硅基GaN之间的动态导通电阻HEMTs. 平台制造首先将蓝宝石衬底加载到MOCVD反应器中，并沉积100nm厚的未掺杂超薄缓冲，然后是300nm厚的未掺杂GaN通道层和15nm厚的Al0.23Ga0.77N阻挡层（（参见图 1（a））。这种外延结构覆盖着一个100nm厚的p-GaN帽层，镁掺杂水平为2×1019厘米-3. 为了从这个外延层生产器件，定义了一个基于BCl3/Cl2的干法蚀刻工艺的沟槽– 这遵循植入过程（见图1（b））。我们通过用植入区域包围沟槽来抑制沿沟槽的侧壁陷阱的影响。我们的其它制造工艺与普通p-GaN HEMT的制造工艺一致（参见图1（c）了解我们关键制造工艺的概述）。 超薄缓冲技术使我们能够实现高压（HV）和低压（LV）增强型p-GaN栅极 HEMT与LV无源元件（包括二极管、电阻器和电容器）的晶圆级集成。通过蚀刻超薄缓冲进行浅沟槽隔离是一个相对简单的过程，它抑制了高压侧和低压侧 PV-GAN HEMT之间的串扰。蚀刻后，用栅极缓冲制造单片半桥电路（见图1（d））。集成平台形成相对较快，材料成本低，使其成为一种极具吸引力的大规模生产技术。图3. 串扰评估：（a）测试装置，（b）两个分离的硅基GaN器件的串扰通过衬底连接在一起，（c）在蓝宝石基 GaN上未观察到半桥器件串扰。 消除异质外延引起的陷阱至关重要，因为它们可能会损害GaN通道中的迁移率。对于传统的硅基GaN HEMT来说，通常通过将成核层与厚缓冲层相结合来抑制陷阱。改用蓝宝石衬底可减少与GaN基外延层的晶格失配，并使100nm厚的未掺杂超薄缓冲层能够抑制衬底上的陷阱并确保高质量的GaN通道。 该架构的另一个吸引人的特点是，它提供了低横向漏电流和高横向击穿电压，这要归功于薄缓冲器和栅极区域下的通道的易耗尽。此外，由于采用隔离式蓝宝石衬底，无需厚缓冲器即可增加垂直阻断电压。 电气测量强调了该HV p-GaN HEMT的卓越阻塞特性，它受益于超薄缓冲。在本p-GaN HEMT中，已经实现了超过1400V的阻断电压，栅极到漏极的长度仅为10mm（见图2（a）和2（b））。这相当于140V/μm，是基于SOI的p-GaN HEMT 的140%。为了确保健康的安全裕度，对于额定电压为1200V的器件，我们建议栅极到漏极的长度为22mm，这种几何形状可提供超过2300V的阻断电压。 该HV p-GaN HEMT的其它令人鼓舞的成果包括：它能够承受高于1400V的瞬态电压10ms，这一特性有助于提高发生过压事件时的可靠性。当漏源电压为 1200V时，在25°C和175°C 时漏极电流分别小于100pA/mm和100nA/mm。这个泄漏电流水平，比硅基GaN HEMT的漏电流水平小约两个数量级。对于这些器件，由于导电基板引起的寄生通道和垂直泄漏，高压下的泄漏电流会随着漏极电压的增加而迅速增加。由于采用隔离的衬底和未掺杂的超薄缓冲，该器件提供了极低的漏极电流，并且它们受益于在外延层和衬底之间的界面上成功抑制寄生通道。 我们还评估了HV p-GaN HEMT的动态电气性能（见图2（c）-（e））。根据双脉冲测试结果，在高温下，端子电容会发生变化，但对开关速度的影响可以忽略不计。导通延迟时间和上升时间的值表示即使在800V时也能实现快速开关速度。由于30Ω的外部关断电阻和1.5A的小开关电流，关断延迟和下降时间比实际时间要长。图4. 升压转换器性能：（a）实验印刷电路板，（b）电路，（c）800V/1MHz输出波形。 所有功率 GaN HEMT 的一个大问题是动态导通电阻，较高的值会增加导通损耗和结温。使用测试电路对传统硅基GaN HEMT和HV p-GaN HEMT的动态导通电阻进行了高度精确的比较。这项调查表明，由于未掺杂的超薄缓冲技术降低了一般的捕集活化能，HV器件在这方面占了上风（见图2（f））。 GaN功率系统在单个芯片上的单片集成具有很大的吸引力。有望抑制寄生电感、减小芯片尺寸和提高设计灵活性。然而，由于常见的导电硅衬底，使用硅基氮化镓实现这一梦想绝非易事。有报道称，当高侧（HS）晶体管和低侧（LS）晶体管构建在传统平台上时，系统会通过公共硅衬底耦合受到反向门控和串扰效应的影响。 目前已经提出了许多衬底技术来解决这个问题，例如：Qromis的工程平台，以及绝缘体上硅衬底和工程体硅衬底。然而，由于垂直击穿，所有这些平台的额定电压都被限制在不超过650V。对于所有这些平台，尝试通过引入更厚的缓冲来增加垂直击穿电压可能很诱人，但由于晶圆翘曲、陷阱和高成本，这是不切实际的。 基于绝缘蓝宝石衬底的超薄缓冲技术提供了更好的前进方向。通过蚀刻超薄缓冲层来实现的浅沟槽隔离可以避免串扰效应（参见图1（b））。采用这种架构，沟槽隔离结构的击穿电压在175°C 时超过3000V，同时保持可接受的泄漏电流增加，从而确保HS和LS器件之间的安全隔离。这种设计的另一个优点是，由于绝缘基板承受了电极和基板之间的电压降，因此它可以有效抑制衬底偏置效应。 为了表征HS和LS器件之间的串扰，对LS p-GaN HEMT施加一个小的漏源电压，然后对HS器件和衬底施加脉冲高压应力（见图3（a））。由于高压应力，LS p-GaN HEMT在应力阶段会发生俘获。然后，能够在应力阶段之后快速监测到串扰。表1.基于 p-GaN HEMT的单片集成与高阻断电压的比较 对于传统的硅基 GaN 平台，当HS处于“开启”状态而 LS 处于“关闭”状态时，观察到HS源和LS源之间的动态正电压会积聚。在此之后，在转换为HS“关”和LS“开”期间，会有一个动态的正衬底到源应力电压，驱动电子注入LS p-GaN HEMT的缓冲层中。当半桥电路切换使其也处于此阶段时（即：HS“关闭”和LS“打开”），被困在LS p-GaN HEMT缓冲区域中的电子无法及时发射，并且往往会部分耗尽LS p-GaN HEMT的2DEG通道，从而导致漏极电流减少。然而，我们的平台并非如此，由于蓝宝石衬底的浅沟槽隔离，抑制了HS和LS HV P-GaN HEMT之间的串扰。 对传统硅基氮化镓器件和新提出的半桥器件的漏极电流的测量凸显了新平 台的优势（见图3（b）和3（c））。结果揭示了室温下400V应力电压下硅基氮化镓器件中的明显串扰，并证明即使在900V应力电压和175 °C的温度下，GaN-on-sapphire平台也能通过浅沟槽隔离有效消除串扰。这些结果表明，沟槽隔离使单片GaN半桥器件能够在高压下高温运行，目标是1200V。 为了评估1200V 单片半桥电路的性能，构建了一个升压转换器（参见图4（a） 和4（b））。图4（c）所示的输出结果表明，新的转换器可以在175°C下以800V/1MHz 的工况工作。这些结果表明，新提出的基于超薄缓冲层的GaN技术是生产用于高温、高压电力系统的 GaN 器件的令人信服的候选者（新技术与涉及其它技术的比较见表 1）。 廉价的衬底和简单的外延使新的方法更具吸引力，这些优点是可以降低成本并使GaN HEMT能够针对更广泛的应用，包括电动汽车和可再生能源市场。这两个市场都将受益于新提出的单片半桥集成平台，该平台将高温和高电压与抑制串扰相结合。来源：星辰工业电子简讯
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