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MicroGaN公司將3D技術引入氮化物電晶體

2012-7-16 17:13:01

著對?品效能的重視越來越高,人們不再需要去電子?品的客戶手冊列印小條上搜尋功耗值,現在這些參數將會在銷售時明確標識,甚至對於潛在客戶來說這是一個重要的考核要素。人們對於電子?品強烈興趣的背後是價值數十億美元的電子市場的銷售增長。以數十家公司?主體的矽器件主導了這一市場,他們提供各種各樣的電子元件?品,包括個人電腦上的開關模式電源,太陽能逆變器,混合動力汽車上的電力電子元件。然而,這些擁有數百萬美元銷售額的晶片製造商們正面臨著來自寬帶狀能隙半導體更?激烈的競爭。

 

這些競爭者們主要是一些碳化矽(SiC)元件廠商包括CREEInfineonSemiSouth等。從能效上來說他們的?品性能遠超於矽元件,但是價格卻是主要障礙,制約了消費群體的購買。例如一款CREE的採用SiC材料的1200V耐壓功率的MOSFET市價在90美金左右。

 

幸運的是,我們還有一種更?有前景的材料可以選擇:矽基氮化鎵元件。“我們可以能夠以矽基元件的價格實現SiC基元件的性能,”MicroGaN公司的業務發展經理Ertugˇrul Sönmez說道。作?德國烏爾姆大學的子公司同時也是一家新創立的企業,MicroGaN公司致力於矽基氮化鎵元件的研究。他還表示氮化鎵(GaN)和矽(Si)的結合,形成高集成度的電子元件是有極大潛力的。因?在單晶片上可以容納多種功率元件,諸如功率二極體及開關等。

 

群體優勢

 

MicroGaN公司一直致力於開發600V耐壓二極體及電晶體。在功率電子元件方面,MicroGaN公司不乏同業競爭者。International Rectifier在組裝一款30V/12A模組,EPC公司銷售?品有從40V200V的電晶體元件。一些散佈著在全球的其他公司也在開發相關?品。

    這些競爭,尤其是對於來自行業資深的企業的競爭壓力,對於初創的中小企業來說是一個重大挑戰。Sönmez對於這種競爭壓力給出了自己的理解,他說:“如果你在研究一種新的材料體系,這種體系必須要獲得應用工程師們的認可。這必須是一個高效,知名以及可信的材料體系。競爭壓力將會極大地促進這種可信度。”他也希望所有從事矽基氮化鎵功率元件行業的廠商們共同努力來打造一個好的平臺,他相信這些公司都將在市場中佔有一席之地

 

    在?多的從事矽基氮化鎵器件的公司中,MicroGaN公司是唯一一家利用3D晶片架構來實現600V耐壓功率元件的。這項技術在降低成本和提高性能方面都會有所貢獻。烏爾姆大學成功的將這種表面態電晶體 3D技術實現了?業應用。這是一種簡單但強勁的技術手段,其優勢在於不需要摻雜或者注入製程。由於材料中內建電場的存在,在矽基板上磊晶生長的GaN / AlGaN材料體系能夠形成二維電子氣;沈積數十微米的金屬歐姆接觸層形成了另外一種元件形態。典型的歐姆接觸金屬厚度僅需要100mm左右就可以形成足夠低的電阻。實際的做法是開發了一種折疊拓撲結構,將多層結構並列起來。

    儘管這種元件也可以通過平面技術實現,但3D技術使得晶片結構更加優化。“這是大尺寸功率積體電路的唯一解決方案,”Sönmez表示,他同時指出3D晶片結構降低了元件尺寸,不僅帶來明顯的成本效益也使得導通電阻大大降低。

    通過上述將金屬接觸帶寬擴展到100mm,導通電阻降低到170 mΩ。在磊晶材料質量方面的進一步提升會更大程度降低這一參數值。

    MicroGaN公司的?品一大優勢是它有一個公用平臺。通過改變接觸結構以及GaNSi兩方面結構,可以實現二極體和常開常關的電晶體(參見文後附的“一種標準製作製程平臺”)

     

強大的矽基GaN背景

 

    作?共同創始人,Mike Kunze Ingo Daumiller 在他們的博士研究開始階段就創立了這家公司,他們始終致力於矽基GaN的研究,包括了III-V 材料生長等。MicroGaN公司的3D晶片結構就是基於這樣一個核心平臺內部來完成的。

    這家公司的創始資金以及初期運轉資本均來源於德國投資銀行KfW(復興信貸銀行),在2005年底第一輪私募融資包括MAZ一級有限公司和Technostart投資公司提供了額外的資金提供了額外的資金 2009年烏爾姆大學出讓股份獲得了KfW Technostart投資公司的資本注入。公司的創始地是由烏爾姆大學提供,作?本公司的強大支援力量的烏爾姆大學在垂直腔面發射雷射器(VCSEL)製造商Ulm Photonics的公司成長中也曾經扮演重要角色。

    MicroGaN公司最初的辦公地點由烏爾姆大學提夠,公司雇員可以進入1000m2設施完善的淨化間。隨著公司的成長,公司需要屬於自己的空間。在2009年公司搬到了大樓的地下室,並組建了屬於自己的淨化室。“我們僅僅是共用中央供應系統,如氣體系統和純水系統等,”Sönmez解釋道。

對於MicroGaN公司來說更多的里程碑事件包括20071000V耐壓功率器件的試?及接下來一年中3D器件知識?權的建立。“2009年我們建立了6英寸?線,2010年我們的交換器?品雛型推向客戶,” Sönmez說道:“2011年我們將量?自主特色的?品。”

 

風險分擔

      

儘管在氮化物薄膜異質外延沈積方面有強大的專業技術背景,MicroGaN公司還是決定將磊晶生長外包出去。Sönmez說:“你不能同時做好每一件事情,所以我們決定和我們的合作夥伴在外延方面一起密切合作共同發展。”

近年來 MicroGaN公司主要的策略變化是由射頻(RF)元件轉向功率元件。Sönmez表示這種策略轉變的背後原因主要是由於GaN的電場優勢有所發揮,而此前一度認?GaN不適合做功率元件。他說:“自從磊晶上高壓技術首次取得突破,我們就從射頻技術轉向了高壓技術。”

如今市場的主流還是以4英寸?品?主。“我們同時也在密切關注6英寸的發展,但是對於600V耐壓功率?品來說臨界電場強度和均勻性都是有很高的要求的,”Sönmez解釋道。元件開發工作幾近完成,不久MicroGaN公司將會推出?品,將會以在線測試及面向主導客戶同時進行。

德國的廠商們也在紛紛猜測這種二極體和交換器原型元件的性能。這種600V耐壓肖特基勢壘二極體,號稱最優異性能,可以在0.3V下開?,1.2V下達到4A輸出。這相對於SiC0.9V的開?電壓有明顯改善,主要是由於矽基GaN上直流損失會更小。

同時該公司這款常關開關的導通電阻?320 mΩ,柵源電壓?0V,漏源電壓600V下漏電流?1mA。固定漏源電壓0.7V下,漏電流達到2A時柵源電壓?僅?3V

 

對於商業化?品來說過高的製造成本使得僅有高性能也是無法獲利的。Sönmez表示對於這款?品來說不存在這樣的問題。他宣稱這種矽基GaN常關開關元件的成本要比複雜的矽製程低。他說:“我們的製程複雜程度也是比較低的—低於複雜的矽製程,例如CoolMOS。遠低於SiC製程,SiC製程需要做溝渠(trench)或者其他工序以實現常關功能。”

他也承認目前磊晶方面的成本要高於矽(Si)磊晶,但如果電阻值能有10倍降低的話那?這一點也會被抵消掉。他說:“最終的結構成本競爭將會以達到矽(Si) 製程成本?最終目標。”

    MicroGaN公司?品的初段應用會在替代矽(Si)基和SiC基元件上。在這一應用領域,電路不需要重新設計,僅僅需要替換掉那些SiC 的續流二極體和boost 二極體元件。這些元件用於功率因數校準單元中boost位置以及太陽能和電機驅動器中控制電流的H橋電路。

在功率電子領域的進一步應用就需要對現有的H橋電路重新設計,現有H橋電路包括了四個矽基絕緣柵雙極電晶體(IGBT)和一些額外的續流二極體。首先MicroGaN公司的電晶體取代矽基絕緣柵雙極電晶體(IGBT),不需要額外的二極體。但延續下去進一步的設計將會更加理性化。Sönmez說:“我們將看到完全集成化的在單晶片上實現的功率轉換技術,同時,現有的這種3D的技術的優勢也將顯現。”

未來的幾個月中MicroGaN公司將會做一些試樣的技術準備,?選定的計劃在2012第一季度中初次試用的客戶提供試樣。一旦建立起製造的合作夥伴關係,將會很快導入量?。

“我們已經從初始階段發展到可實現?業化。”Sönmez表示。不僅僅是外延代工,整個?品製程都將實現轉移,MicroGaN公司正朝著這個方向努力。他還說:“我們將首先實現具備成熟製程條件的600V耐壓元件的4英寸?線?業化。同時也會追蹤6英寸的發展,一旦良率、均勻性、漏電等電性能滿足要求我們將升級到6英寸。”如果MicroGaN公司能夠實現這一平穩過渡,那?在功率器件市場上將會大放異彩。

 

一種標準製作平臺

  

MicroGaN公司有一個標準化的平臺來製作3D結構的元件,這種元件具有600V耐壓,且在這一耐壓下實現了常開狀態和常關狀態的電晶體。

    常開狀態電晶體採用最簡單結構,即一個具有源極、柵極、漏極的GaNHEMT元件。這類器件一直不是市場的主流?品,由於考慮安全性等因素在大多數應用場合還是需要常關狀態的電晶體。

  

    這種常關狀態的結構相對複雜一點,是由一個GaNHEMT元件和一個矽基肖特基勢壘二極體構成。Ertugrul Sönmez說,矽基低壓二極體特性,在低壓下的極好性能表現,被轉換到高壓下得以實現。

    這就類似於常關狀態電晶體,需要由一個GaNHEMT元件和一個場效電晶體(MOSFET)配對組成。一個明顯的優勢是不再需要續流二極體,選用的場效電晶體必須具有良好的質量以及低壓勢壘二極體的特性。

    矽基場效電晶體由於高級別的儲存特性在高電壓下性能極差。但是在低電壓下根本不存在這樣的問題,這簡直難以置信。因此,如同二極體一樣,這種製作平臺具備了被轉換到高壓工作的矽基元件的優勢。

    這不是這個製作平臺的唯一優勢,Sönmez表示,如果要實現AlGaN/GaN材料體系的常關模式,必須要破壞柵極的二維電子氣體。成功的回避這一問題,MicroGaN公司製備的高性能元件,在導通電阻這一關鍵參數上具備優勢,尤其隨著元件尺寸增加顯得更?重要。


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