幾十年來，矽基功率電晶體（MOSFET、場效應電晶體）構成了功率轉換系統的支柱，可將交流電 （AC） 轉換為直流電 （DC），反之亦然，或將直流電從低壓轉換為高壓。在尋求可以提高開關速度的替代品時，氮化鎵 （GaN） 迅速成為領先的候選材料之一。GaN/AlGaN 材料體系表現出更高的電子遷移率和更高的擊穿臨界電場。結合高電子遷移率電晶體 （HEMT） 架構，與同類矽解決方案相比，它使器件和 IC 具有更高的擊穿強度、更快的開關速度、更低的電導損耗和更小的佔位面積。

IMEC 200V GaN-on-SOI 功率 IC 技術和元件的橫截面示意圖。該工藝具有 E/D 模式 HEMT、肖特基二極體、電阻器、電容器的單片共整合，幷包括先進的工藝模組（深溝槽隔離、襯底接觸、再分佈層……）

今天，大多數 GaN 電源系統由多個晶片組成。基於 GaN 的器件在組裝到印刷電路板上之前作為分立元件組裝。這種方法的缺點是存在影響器件效能的寄生電感。“以驅動器為例，在單獨的晶片上帶有驅動器的分立電晶體受到驅動器輸出級和電晶體輸入之間以及半橋開關節點之間的寄生電感的影響。GaN HEMT 具有非常高的開關速度，當寄生電感未被抑制時，這會導致振鈴（ringing），即訊號的不希望的振盪。減少寄生效應和利用 GaN 卓越開關速度的最佳方法是將驅動器和 HEMT 整合在同一晶片上，”來自IMEC的Stefaan Decoutere 解釋道。

“同時，它減少了半橋中兩個電晶體之間的死區時間控制，其中一個電晶體必須在另一個電晶體開啟時關閉。在這期間，電源和地之間存在短路，或死區時間。在晶片上整合所有元件將解決振鈴問題，減少死區時間，並最終提高轉換器的電源效率。”

d 模式 HEMT 的共整合

Imec 已經在絕緣體上矽 （SOI） 基板上單片整合構建塊（例如驅動器、半橋和控制/保護電路）取得了巨大進展。現在，研究人員已經成功地在產品組合中添加了兩個廣受歡迎的元件：d 模式（耗盡模式）HEMT 和肖特基二極體。

在 200 mm GaN-on-SOI 襯底上製造的高壓元件的工藝橫截面 （a） e 模式 pGaN-HEMT （b） d 模式 MIS-HEMT，（c） 肖特基勢壘二極體。所有器件都包括基於前端和互連金屬層並由介電層隔開的金屬場板

提高 GaN 功率 IC 的全部效能的主要障礙之一仍然是尋找合適的解決方案來解決 GaN 中缺乏具有可接受效能的 p 溝道器件的問題。CMOS 技術使用互補且更對稱的 p 型和 n 型 FET 對，基於兩種 FET 的空穴和電子遷移率。然而，在 GaN 中，空穴的遷移率比電子的遷移率差 60 倍左右；在矽中，這只是 2 倍。這意味著以空穴為主要載流子的 p 溝道器件將比 n 溝道對應器件大 60 倍，而且效率極低。一種廣泛使用的替代方法是用電阻器代替 P-MOS。電阻電晶體邏輯 （RTL） 已用於 GaN IC，但在開關時間和功耗之間表現出權衡。

“我們透過在 SOI 上的功能性 e-mode HEMT 平臺上共同整合 d-mode HEMTS，提高了 GaN IC 的效能。增強和耗盡模式是指在零源電壓下的 ON（d 模式）或 OFF（e 模式）狀態，導致電晶體中的電流流動（或不流動）。我們期望從 RTL 向直接耦合 FET 邏輯邁出一步將提高速度並降低電路的功耗，”Stefaan Decoutere 說。

具有低洩漏電流的肖特基二極體

肖特基勢壘二極體的整合進一步提高了 GaN 功率 IC 的功率效率。與矽二極體相比，它們可以在相同的導通電阻下承受更高的電壓，或者在相同的擊穿電壓下承受更低的導通電阻。“製造肖特基勢壘二極體的挑戰是獲得低導通電壓和低洩漏水平。不幸的是，當您瞄準較低的導通電壓時，您最終會遇到一個小的屏障來阻止洩漏電流。肖特基二極體因漏電流高而臭名昭著。與傳統 GaN 肖特基勢壘二極體相比，Imec 專有的柵極邊緣端接肖特基勢壘二極體架構 （GET-SBD） 可實現約 0。8 伏的低開啟電壓，同時將漏電流降低幾個數量級，

製造的 GET-SBD 的特性顯示（左）在 25°C 下以半對數刻度顯示 0。91V 的低開啟電壓，以及（右）兩種不同陽極的低反向漏電流（25°C 時為 2 nA/mm）在 25 和 150°C 下評估的場板配置。

快速開關和高電壓

GaN 是高功率應用的首選材料，因為導致電晶體擊穿的臨界電壓（擊穿電壓）比矽高 10 倍。但對於低功率應用，GaN 仍然具有優於矽的優勢，因為它具有出色的開關速度。“我們建立的基於 GaN 的 IC 為更小、更高效的 DC/DC 轉換器和負載點 （PoL） 轉換器開闢了道路。例如，智慧手機、平板電腦或膝上型電腦包含可在不同電壓下工作的晶片，因此它們需要 AC/DC 轉換器來為電池充電，並需要裝置內部的 PoL 轉換器來產生不同的電壓。這些元件不僅包括開關，還包括變壓器、電容器和電感器。電晶體開關速度越快，這些元件就越小，

Stefaan Decoutere：“快速充電器構成了當今 GaN 的最大市場，其次是用於伺服器、汽車行業和可再生能源的電源。預計使用 GaN 的電源在系統級更可靠。它們的外形尺寸和重量更小，從而減少了材料清單，從而降低了成本。

正在研究的垂直裝置

“我們將專注於提高現有平臺的效能，並進行進一步的可靠性測試。我們目前提供用於原型設計的 200V 和 650V 平臺，很快就會推出 100V。對於具有整合元件的 GaN-IC，1200V 大功率平臺可能不會產生顯著的改進。電壓越高，元件變得越慢。因此，可能沒有必要在晶片上整合驅動程式；模擬會告訴我們。”

“與此同時，我們正在尋找分立 1200V 器件的替代品，使 GaN 技術能夠用於電動汽車等最高電壓功率應用。具有橫向拓撲的電晶體是當今占主導地位的 GaN 器件架構。這些器件的三個端子（源極、柵極和漏極）位於同一平面的表面，因此電場是橫向的，跨越 GaN 緩衝層和部分後端（金屬化、氧化物）。在垂直器件中，源極和柵極位於表面，而漏極位於外延疊層的底部。在這種情況下，電場流過整個堆疊。決定器件擊穿電壓的是源漏分離，較大的分離可以保護通道不被擊穿。然而，橫向放置的源極和漏極之間的距離越大，器件越大。因為 1200V 裝置的晶片會變得太大，橫向架構通常建議最高 650V。相反，對於垂直器件，使用更高的電壓歸結為建立更厚的外延堆疊，因為源極和漏極位於堆疊的不同端。晶片的表面積沒有增加，”Stefaan Decoutere 總結道。