检查垂直 GaN 功率 IC

　　结合 GaN IC 的横向和垂直几何形状
　　结合两全其美是垂直 GaN 功率 IC 开发背后的座右铭。
　　横向 GaN 技术及其HEMT 设计彻底改变了电力电子领域，与传统的硅基功率晶体管相比，具有显着的性能优势和越来越低的成本。横向结构可以将有源或无源器件集成到片上 GaN 功率 HEMT，从而实现栅极驱动器、传感或保护电路等功能，称为 GaN 功率 IC 或 GaN 功率集成。然而，商业横向 GaN 晶体管的击穿电压有限，通常为 650 V（在某些情况下甚至为 1200 V），开关功率能力为几千瓦。
　　其目的是利用垂直GaN晶体管克服这些限制，该晶体管还具有在不增大芯片尺寸的情况下提高击穿电压的优点。此外，通过将峰值电场和热量从表面消散到体基板中，可以提高可靠性和热管理。垂直 GaN 器件有四种主要方法，例如沟槽 MOSFET、FinFET、JFET 和 CAVET（电流孔径垂直电子晶体管）。丰田、松下或 Oddysey Semiconductor 和近解散的 NexGen Power Systems 等初创公司已经展示了有前景的常关垂直 GaN 晶体管，但尚未投入商业应用。

　　垂直GaN器件面临的挑战之一是其经济可行性，这主要是由于GaN晶圆的高成本。目前，6 英寸 GaN 衬底正在开发中，2 英寸和 4 英寸衬底已投入量产，但晶圆（包括外延层）的成本目前高达 40-60 美元/cm 2 ，而晶圆成本约为 7 美元。 /cm 2对于 4 英寸 SiC 或 ~1$/cm 2对于 8 英寸 GaN-on-Si。尽管与 SiC MOSFET 相比单极 R ON ×A 品质因数在理论上有所改进，但必须降低这一相对较高的价格才能确保垂直 GaN 晶体管的突破。在垂直器件结构中，只有 CAVET 具有与具有相同栅极模块的传统 HEMT 相同的异质结构。虽然不同的外延层被用作垂直耗尽区，但是该工艺技术可以广泛地采用已知的横向器件。 CAVET 的这一独特卖点开辟了一种将垂直器件概念中的横向 GaN 功率集成继续集成到垂直 GaN 功率 IC 的方法（图 1），并且可能成为未来有前途的垂直结构。

　　图 1.a  ) 垂直 GaN 功率 IC 的 3D 视图和 b) 完全加工的 2 英寸 GaN-on-GaN 晶圆的照片。图片由博多电力系统提供 [PDF]
　　横向 HEMT 和垂直功率 CAVET 的协同集成

　　Fraunhofer IAF开发了一种技术，将大面积垂直GaN功率晶体管与横向器件相结合，在单芯片上实现外围功能。 CAVET 将众所周知的横向 HEMT 栅极模块与垂直耗尽区和漂移区相结合。因此，用于 HEMT 的相同常关概念（例如，pGaN 栅极）可以应用于 CAVET。该技术从高负掺杂 (n + ) GaN 衬底和随后的同质外延开始，与硅或蓝宝石等异质衬底上的异质外延相比，其位错密度明显更好，因此可以对击穿电压和可靠性产生积极影响。借助 MOCVD（金属有机化学气相沉积），在顶部生长出几微米的较弱 n 掺杂 (n- ) GaN 层，作为耗尽区和漂移区。然后通过镁注入制造正掺杂 (p) GaN 电流阻挡层 (CBL)，其充当分隔源极和漏极的绝缘层。同时，孔径允许栅极区域下方的垂直电流流动。，在上面重新生长非有意掺杂的 (uid)-GaN 沟道、AlGaN 异质结构和 GaN 帽或 p-GaN，从而构建垂直晶体管的存取区和横向 HEMT 的沟道区。这些器件采用 III-V 族工艺生产线制造。 可以使用与横向 GaN 技术相同的有源和无源元件。图 1b 显示了完全加工的 2 英寸 GaN-on-GaN 晶圆，未来也可以在更大直径上实现。图 2a 和 c) 显示了该技术的简化横截面和制造的 CAVET 的 TEM 横截面图像。

　　图 2. 采用准单片集成 HEMT 栅极驱动器级和感应 CAVET 的 CAVET 技术，a) 简化的横截面和 b) 相应的电路图。 c) a) 中以红色标记的垂直 CAVET 装置截面的 TEM 图像。图片由博多电力系统提供

　　图 3. 由横向共集成 HEMT 和感测 CAVET 在 500 kHz 和 40 V 控制的功率 CAVET 器件的开关测量。所用图像由Bodo's Power Systems提供 
　　实验结果
　　为了展示垂直 GaN 功率 IC 的开发，采用相同技术制造了多个垂直和横向器件。加工后，将组件切成小块以提高灵活性。尽管如此，如果背面或漏极电势 DC相同或连接在一起，它们的行为应该类似于单片集成在一个芯片/芯片上（图 2b 中的电路图）。实验性概念验证使用大面积 CAVET 功率器件，该器件由准单片集成横向 HEMT 推挽驱动级控制，并通过感测 CAVET 进行电流感测。图 2b 显示了相应的电路图/符号，并通过符号的方向指示电流方向（横向与垂直）。推挽式 HEMT 级由上拉/下拉 (PU/PD) 晶体管组成，电流镜比 N 约为 229。
　　对 GaN 基器件进行了详细的静态表征。动态开关测量在 40 V、高达 2.4 A 和 500 kHz 的双脉冲测试装置中进行，PU/PD 器件的栅源电压 V PU /V PD、栅源电压电源CAVET的V GS，对应于感测CAVET的V GS，电源CAVET的漏极电流ID 和漏源电压V DS如图3所示。 电源CAVET的漏极电流CAVET 通过同轴分流器的压降来测量，并且使用外部互阻抗放大器将通过感测晶体管的镜像电流转换为电压 V SENSE 。