L’intégration monolithique des composants GaN booste la puissance des circuits intégrés

L'intégration monolithique des composants GaN booste la puissance des circuits intégrés

Coupe schématique de la technologie et des composants IMEC 200V GaN-on-SOI Power IC. Le processus comprend une co-intégration monolithique de HEMT en mode E/D, de diodes Schottky, de résistances, de condensateurs et comprend des modules de processus avancés. Crédit : IMEC

Pendant des décennies, les transistors de puissance à base de silicium (MOSFET, transistors à effet de champ) ont constitué l’épine dorsale des systèmes de conversion de puissance qui convertissent le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) et vice versa, ou DC de basse tension à haute tension et vice versa. versa. Dans la recherche d’alternatives capables d’accélérer la vitesse de commutation, le nitrure de gallium (GaN) s’est rapidement imposé comme l’un des principaux matériaux candidats. Le système de matériaux GaN/AlGaN présente une mobilité électronique plus élevée et un champ électrique critique plus élevé pour le claquage. Combiné à l’architecture des transistors à haute mobilité électronique (HEMT), il en résulte des dispositifs et des circuits intégrés qui présentent une résistance au claquage plus élevée, une vitesse de commutation plus rapide, des pertes de conductance plus faibles et une empreinte plus petite que les solutions au silicium comparables.

Aujourd’hui, la plupart des systèmes d’alimentation GaN sont constitués de plusieurs puces. Les dispositifs à base de GaN sont assemblés sous forme de composants discrets avant d’être unis sur une carte de circuit imprimé. L’inconvénient de cette approche est la présence d’inductances parasites qui affectent les performances des appareils. “Prenez un pilote, par exemple. Les transistors discrets avec des pilotes sur une puce séparée souffrent beaucoup d’inductances parasites entre les étages de sortie du pilote et l’entrée du transistor, et dans le nœud de commutation des demi-ponts. Les HEMT GaN ont des vitesse de commutation qui conduit à une sonnerie, une oscillation indésirable du signal, lorsque l’inductance parasite n’est pas supprimée. La meilleure façon de réduire les parasites et d’exploiter la vitesse de commutation supérieure du GaN est d’intégrer à la fois le pilote et le HEMT sur la même puce. explique Stefaan Decoutere.

“En même temps, cela réduit le contrôle du temps mort entre deux transistors dans un demi-pont, où un transistor doit s’éteindre juste au moment où l’autre s’allume. Pendant le temps entre les deux, il y a un court-circuit entre le source d’alimentation et la terre, ou temps mort. L’intégration de tous les composants sur la puce résoudra la sonnerie, réduira le temps mort et, en fin de compte, améliorera l’efficacité énergétique de votre convertisseur.

Co-intégration des HEMT en mode d

Imec a déjà fait d’énormes progrès en intégrant de manière monolithique des blocs de construction sur un substrat de silicium sur isolant (SOI) tels que des pilotes, des demi-ponts et des circuits de contrôle/protection. Aujourd’hui, les chercheurs ont réussi à ajouter deux composants recherchés au portefeuille : les HEMT en mode d (mode d’appauvrissement) et les diodes Schottky.

L'intégration monolithique des composants GaN booste la puissance des circuits intégrés

Sections transversales de processus des composants haute tension fabriqués sur des substrats GaN-on-SOI de 200 mm (a) pGaN-HEMT en mode e (b) MIS-HEMT en mode d, (c) diode à barrière Schottky. Tous les dispositifs comprennent des plaques de champ métalliques basées sur des couches métalliques frontales et d’interconnexion et séparées par des couches diélectriques. Crédit : IMEC

L’un des principaux obstacles à l’amélioration des performances des circuits intégrés de puissance GaN reste la recherche d’une solution appropriée au manque de dispositifs à canal p dans GaN avec des performances acceptables. La technologie CMOS utilise des paires complémentaires et plus symétriques de FET de type p et n, basées sur les mobilités des trous et des électrons pour les deux types de FET. Or, dans le GaN, la mobilité des trous est environ 60 fois pire que celle des électrons ; dans le silicium, ce n’est qu’un facteur de 2. Cela signifie qu’un dispositif à canal p, où les trous sont les principaux porteurs, serait 60 fois plus grand que son homologue à canal n et très inefficace. Une alternative répandue consiste à remplacer le P-MOS par une résistance. La logique résistance-transistor (RTL) a été utilisée pour les circuits intégrés GaN, mais présente des compromis entre le temps de commutation et la consommation d’énergie.

“Nous avons amélioré les performances des circuits intégrés GaN en co-intégrant des HEMTS en mode d sur notre plate-forme HEMT fonctionnelle en mode e sur SOI. Le mode d’amélioration et d’épuisement fait référence à un état ON (mode d) ou OFF (mode e) à tension de source nulle, entraînant un flux de courant (ou non) dans le transistor. Nous nous attendons à ce que le passage de la logique RTL à la logique FET à couplage direct améliore la vitesse et réduise la dissipation de puissance des circuits », déclare Stefaan Decoutere.

Diodes Schottky à faibles courants de fuite

L’intégration d’une diode à barrière Schottky a encore amélioré l’efficacité énergétique des circuits intégrés de puissance GaN. En comparaison avec les diodes Si, elles peuvent supporter des tensions plus élevées pour la même résistance à l’état passant ou une résistance à l’état passant inférieure pour la même tension de claquage. “Le défi dans la fabrication de diodes à barrière Schottky est d’obtenir une faible tension d’activation et en même temps un faible niveau de fuite. Malheureusement, lorsque vous visez des tensions d’activation plus faibles, vous vous retrouverez avec une petite barrière pour retenir le courant de fuite. Et les diodes Schottky sont connues pour avoir des courants de fuite élevés. L’architecture exclusive Gate-Edge-Terminated Schottky Barrier Diode (GET-SBD) d’Imec se traduit par une faible tension d’activation d’environ 0,8 volt, tout en réduisant en même temps le courant de fuite de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux diodes à barrière Schottky GaN conventionnelles », ajoute Stefaan Decoutere.

L'intégration monolithique des composants GaN booste la puissance des circuits intégrés

Caractéristiques des GET-SBD fabriqués montrant (à gauche) une faible tension d’activation de 0,91 V à 25 °C à l’échelle semi-logarithmique et (à droite) de faibles courants de fuite inverses (2 nA/mm pour 25 °C) pour deux anodes différentes configurations de plaques de champ évaluées à 25 et 150°C. Crédit : IMEC

Commutateurs rapides et hautes tensions

Le GaN est le matériau de référence pour les applications à haute puissance car la tension critique qui induit le claquage du transistor (tension de claquage) est 10 fois plus élevée que dans le silicium. Mais aussi pour les applications à faible puissance, le GaN a toujours un avantage sur le silicium en raison de sa vitesse de commutation supérieure. “Les circuits intégrés à base de GaN que nous créons ouvrent la voie à des convertisseurs DC/DC et des convertisseurs de point de charge (PoL) plus petits et plus efficaces. Un smartphone, une tablette ou un ordinateur portable, par exemple, contient des puces qui fonctionnent sur différentes tensions, donc ils nécessitent des convertisseurs AC/DC pour charger la batterie et des convertisseurs PoL à l’intérieur des appareils pour générer les différentes tensions.Ces composants consistent non seulement en un interrupteur mais également en des transformateurs, des condensateurs et des inductances.Plus le transistor peut commuter rapidement, plus ces composants sont petits devenir, aboutissant finalement à un système plus compact et moins coûteux pour la même puissance. »

Stefaan Decoutere : « Les chargeurs de batterie rapides constituent aujourd’hui le plus grand marché pour le GaN, suivis des alimentations électriques pour les serveurs, l’industrie automobile et les énergies renouvelables. On s’attend à ce que les alimentations électriques utilisant le GaN soient au niveau du système plus fiables. facteur et le poids, ce qui réduit la nomenclature et donc le coût. »

Dispositifs verticaux à l’étude

“Nous allons nous concentrer sur l’amélioration des performances de la plate-forme existante et effectuer d’autres tests de fiabilité. Nous proposons actuellement une plate-forme 200V et 650V pour le prototypage, bientôt suivie par 100V. Pour les GaN-IC avec composants intégrés, une plate-forme haute puissance 1200V peut ne pas apporter d’améliorations significatives. Plus la tension est élevée, plus les composants deviennent lents. Par conséquent, il n’est peut-être pas nécessaire d’intégrer le pilote sur la puce ; les simulations nous le diront.

“Dans le même temps, nous recherchons des alternatives pour les dispositifs discrets de 1 200 V, permettant à la technologie GaN d’être utilisée dans les applications de puissance à plus haute tension telles que les voitures électriques. Les transistors à topologie latérale constituent aujourd’hui l’architecture dominante des dispositifs GaN. Ces dispositifs ont leurs trois bornes (source , grille et drain) à la surface dans le même plan, de sorte que le champ électrique est latéral, couvrant les couches tampons de GaN et en partie le backend (métallisation, oxyde). Dans un dispositif vertical, la source et la grille sont à la surface, tandis que le drain se trouve au bas de la pile épi. Dans ce cas, le champ électrique traverse toute la pile. C’est la séparation source-drain qui détermine la tension de claquage de l’appareil, et une séparation plus grande protège le canal contre les pannes. Cependant, de plus grandes distances entre une source et un drain placés latéralement se traduisent par des appareils plus grands.Parce que les puces pour les appareils 1200V deviendraient trop grandes, les architectures latérales sont généralement conseillées jusqu’à 650 V maximum. Pour un appareil vertical, au contraire, passer à des tensions plus élevées revient à créer une pile épi plus épaisse car la source et le drain sont situés à des extrémités différentes de la pile. La surface de la puce n’augmente pas », conclut Stefaan Decoutere.

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Développement d’un transistor diamant à haute mobilité de trous


Plus d’information:
Ces résultats de Cosnier T et al. La plate-forme d’alimentation intelligente GaN-on-SOI 200V pour les circuits intégrés de puissance GaN monolithiques a été présentée à la conférence IEDM 2021. La communication de la conférence peut être demandée via le formulaire

Citation: L’intégration monolithique de composants GaN booste la puissance des circuits intégrés (2022, 21 mars) récupéré le 21 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-monolithic-gan-components-boosts-power.html

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