行家说消息  2021年12月13日，在2021年国际电子元件会议(IEEE IEDM 2021)上，比利时微电子研究中心(imec)介绍了基于p-GaN高电子迁移率晶体管的200V GaN-on-SOI智慧功率整合电路(IC)平台。他们成功整合的高性能萧特基势垒二极管及耗尽型高电子迁移率晶体管，该平台在8英寸衬底上开发。

增添此等组件令设计具有扩展功能的芯片化成现实，并提高其性能，为单片整合氮化镓(GaN)功率整合电路跨出一大步。这次的成功，亦为日后研发更小、更高效的直流/直流转换器及负载点转换器奠定了基础。

今天，GaN电力电子元件仍然由离散元件主导，这些元件由产生开关讯号的外部驱动器整合电路驱动。然而，为了充分把握快速开关的速度，一般建议使用具单片整合功率元件及驱动器功能的GaN。比利时微电子研究中心已经成功展示半桥的单片整合与带有控制及保护电路的驱动器，此等电路是将全GaN功率整合电路整合到一个芯片中的关键。

在GaN缺乏具有可接受性能的p通道元件找寻合适方案，仍是提高GaN功率整合电路全部性能的一大主要障碍。互补式金属氧化物半导体技术使用互补且更对称的p型及n型场效晶体管(FET)对，基于两种类型场效晶体管的空穴及电子迁移率。然而，在GaN，空穴的迁移率比电子的迁移率差大约60倍。这意味着以空穴为主要载流子的p通道元件将比n通道元件大60倍，而且效率极低。一种普遍的替代方法是用电阻代替P-MOS，电阻-晶体管逻辑(RTL)已用于GaN整合电路，但显示了开关时间与功耗之间的权衡。

“我们通过结合使用增强型和耗尽型开关提高了GaN IC 的性能。通过在 SOI 上扩展我们的功能性e-mode HEMT 平台和共同集成的d-mode HEMTS，现在我们可以从 RTL 迈向直接耦合 FET 逻辑，这有望提高速度并降低电路的功耗， ”imec GaN 电源系统项目总监 Stefaan Decoutere 说。

另一个在 GaN 功率 IC 上进行协同集成的关键组件是肖特基势垒二极管。与硅对应物相比，GaN 肖特基二极管具备更高的阻断电压和更低的开关损耗。

“我们已经成功扩展了我们的 200 V GaN-on-SOI e-mode HEMT GaN IC 平台，采用单片集成的高性能肖特基势垒二极管和 d-mode HEMT，这使我们更接近基于 GaN 的智能功率 IC。这个 GaN-IC 平台可通过我们的多项目晶圆 (MPW) 服务进行原型设计，”Stefaan Decoutere 补充道。“我们的平台已准备好转让给合作伙伴。我们正在寻找代工厂，但也寻找设计公司和最终用户。下一步将是开发和发布该平台的 650 伏版本。GaN-on-SOI 技术的目标应用包括高压电源开关和电源转换、手机、平板电脑和笔记本电脑的快速充电器、电动汽车的车载充电器以及太阳能电池板连接到电网的逆变器。”

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