新一代單片式整合氮化鎵晶片 升級功率電路性能
09:322022-03-22 
工商
 
涂志豪
比利時微電子研究中心（imec）氮化鎵電力電子研究計畫主持人Stefann Decoutere探討在200V GaN-on-SOI智慧功率晶片（IC）平台上，整合高性能蕭基二極體與空乏型高電子遷移率電晶體（HEMT）的成功案例。該平台以P型氮化鎵（GaN）HEMT製成，此次研發成功整合多個GaN元件，將能協助新一代晶片擴充功能與升級性能，推進GaN功率IC的全新發展。同時提供DC/DC轉換器與負載點（POL）轉換器所需的開發動能，進一步縮小元件尺寸與提高運作效率。
過去幾十年來，金屬氧半場效電晶體（MOSFET）與其他場效電晶體等矽基功率電晶體一直是電力轉換系統的發展支柱，能將交流電（AC）轉換為直流電（DC），或是將直流電從低壓轉為高壓，反之亦然。在探索具備更優異開關性能的替代方案時，氮化鎵（GaN）在所有先進的候選材料中快速崛起。
氮化鎵或氮化鋁鎵（AlGaN）的複合材料能提供更高的電子遷移率與臨界電場，結合HEMT的電晶體結構，就能打造新一代的元件與晶片，提升擊穿強度與開關速度，降低電導損耗（conductance loss），縮小尺寸，勝過其他的半導體材料。
目前，絕大多數的GaN功率系統都是由多個晶片組成。這些氮化鎵元件在整合至印刷電路板（PCB）以前都是獨立元件，製程中會產生寄生電感，降低元件性能。
imec氮化鎵電力電子研究計畫主持人Stefaan Deoutere解釋，以驅動器為例，當多個獨立電晶體的驅動器被置於不同晶片時，驅動器輸出級與電晶體輸入級之間會產生大量的寄生電感，半橋電路中間的交換節點也會深受其害。
Stefann Decoutere指出，以氮化鎵（GaN）製成的高電子遷移率電晶體（HEMT）具備超高速的開關能力，如果不去抑制寄生電感，就會導致振鈴現象（ringing），也就是干擾訊號的不良振盪。最佳的解決方案是進行驅動器與HEMT的單片式整合，不僅能避免寄生現象的發生，還能最大程度地運用GaN元件的優異開關性能。
Stefann Decoutere說道，同時，還能縮短半橋電路電晶體之間的停滯時間（dead-time control），電晶體就不需要在另一個電晶體開啟時長時間處於暫時關閉狀態。在等待不同電晶體切換開關的期間，電源與接地之間會出現短路，或稱停滯時間。而在單一晶片上整合所有元件就能解決振鈴問題、縮短停滯時間，最終提升目標轉換器的功耗。