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MicroGaN公司将3D技术引入氮化物晶体管

2012-3-16 11:42:00     

MicroGaN公司将3D技术引入氮化物晶体管

MicroGaN发布了一款基于硅衬底GaN的600V耐压功率器件，预计2012年功率电子产品采购商将能够以硅(Si)基器件价格获得与 SiC基器件性能相当的高性能晶体管和二极管。

 

随着对产品能效的重视越来越高，人们不再需要去电子产品的客户手册打印小条上搜寻能耗值，现在这些参数将会在销售时明确标识，甚至对于潜在客户来说这是一个重要的考核要素。人们对于电子产品强烈兴趣的背后是价值数十亿美元的电子市场的销售增长。以数十家公司为主体的硅器件主导了这一市场，他们提供各种各样的电子元器件产品，包括个人电脑上的开关模式电源，光伏逆变器，混合动力汽车上的电力电子元件。然而,这些拥有数百万美元销售额的晶片制造商们正面临着来自宽禁带半导体更为激烈的竞争。

 这些竞争者们主要是一些碳化硅(SiC)器件厂商包括  Cree,  Infineon, SemiSouth等。从能效上来说他们的产品性能远超于硅器件，但是价格却是主要障碍，制约了消费群体的购买。例如一款CREE的采用SiC材料的1200V耐压功率的场效应管市价在90美金左右。

幸运的是，我们还有一种更为有前景的材料可以选择：硅基氮化镓器件。“我们可以能够以硅基器件的价格实现SiC基器件的性能，”MicroGaN公司的业务发展经理Ertugˇrul Sönmez说道。作为德国乌尔姆大学的子公司同时也是一家新创立的企业，MicroGaN公司致力于硅基氮化镓器件的研究。他还表示氮化镓(GaN)和硅(Si)的结合，形成高集成度的电子元器件是有极大潜力的。因为在单芯片上可以容纳多种功率器件，诸如功率二极管及开关等。

 

 

MicroGaN公司在硅基GaN外延片上制作的晶粒

 

  

群体优势

 

MicroGaN公司一直致力于开发600V耐压二极管及晶体管。在功率电子器件方面，MicroGaN公司不乏同业竞争者。International Rectifier在组装一款30V/12A模组, EPC公司销售产品有从40V到200V的晶体管器件。一些散布着在全球的其他公司也在开发相关产品。

 

 

 

由乌尔姆大学子公司MicroGaN生产的晶粒局部

 

 这些竞争，尤其是对于来自行业资深的企业的竞争压力，对于初创的中小企业来说是一个重大挑战。Sönmez对于这种竞争压力给出了自己的理解，他说：“如果你在研究一种新的材料体系，这种体系必须要获得应用工程师们的认可。这必须是一个高效，知名以及可信的材料体系。竞争压力将会极大地促进这种可信度。”他也希望所有从事硅基氮化镓功率器件行业的厂商们共同努力来打造一个好的平台，他相信这些公司都将在市场中取得一定份额。

 

 

图1：采用一种3D技术， MicroGaN公司能够制作多种集成二极管和晶体管，具有更低的成本同时降低了寄生效应。

 

在众多的从事硅基氮化镓器件的公司中，MicroGaN公司是唯一一家利用3D芯片架构来实现600V耐压功率器件的。这项技术在降低成本和提高性能方面都会有所贡献。乌尔姆大学成功的将这种表面态晶体管 的3D技术实现了产业应用。这是一种简单但强劲的技术手段，其优势在于不需要掺杂或者注入工艺。由于材料中内建电场的存在，在硅衬底上外延生长的GaN / AlGaN材料体系能够形成二维电子气；沉积数十微米的金属欧姆接触层形成了另外一种器件形态。典型的欧姆接触金属厚度仅需要100mm左右就可以形成足够低的电阻。实际的做法是开发了一种折叠拓扑结构，将多层结构并列起来。（如图1）。

 尽管这种器件也可以通过平面技术实现，但3D技术使得芯片结构更加优化。“这是大尺寸功率集成电路的唯一解决方案，”Sönmez表示，他同时指出3D芯片结构 降低了器件尺寸，不仅带来明显的成本效益也使得导通电阻大大降低。

 通过上述将金属接触带宽扩展到100mm,导通电阻降低到170 mΩ。在外延材料质量方面的进一步提升会更大程度降低这一参数值。

MicroGaN公司的产品一大优势是它有一个公用平台。通过改变接触结构以及GaN和Si两方面结构，可以实现二极管和�？９氐木骞�(参见文后附的“一种标准制作工艺平台”)。

     

强大的硅基GaN背景

 

作为共同创始人，Mike Kunze和 Ingo Daumiller 在他们的博士研究开始阶段就创立了这家公司，他们始终致力于硅基GaN的研究，包括了III-V 材料生长等。MicroGaN公司的3D芯片结构就是基于这样一个核心平台内部来完成的。

这家公司的创始资金以及初期运转资本均来源于德国投资银行KfW(复兴信贷银行)，在2005年底第一轮私募融资包括MAZ一级有限公司和Technostart投资公司提供了额外的资金提供了额外的资金 。2009年乌尔姆大学出让股份获得了KfW和 Technostart投资公司的资本注入。公司的创始地是由乌尔姆大学提供，作为本公司的强大支持力量的乌尔姆大学在垂直腔面发射激光器(VCSEL)制造商Ulm Photonics的公司成长中也曾经扮演重要角色。

MicroGaN公司最初的办公地点由乌尔姆大学提够，公司雇员可以进入1000m2设施完善的净化间。随着公司的成长，公司需要属于自己的空间。在2009年公司搬到了大楼的地下室，并组建了属于自己的净化室。“我们仅仅是共用中央供应系统，如气体系统和纯水系统等，”Sönmez解释道。

对于MicroGaN公司来说更多的里程碑事件包括2007年1000V耐压功率器件的试产及接下来一年中3D器件知识产权的建立。“2009年我们建立了6英寸产线，2010年我们的交换器产品雏形推向客户，” Sönmez说道：“2011年我们将量产自主特色的产品。”

 

风险分担

      

尽管在氮化物薄膜异质外延沉积方面有强大的专业技术背景，MicroGaN公司还是决定将外延生长外包出去。Sönmez说：“你不能同时做好每一件事情，所以我们决定和我们的合作伙伴在外延方面一起密切合作共同发展。”

近年来 MicroGaN公司主要的策略变化是由射频(RF)元件转向功率器件。Sönmez表示这种策略转变的背后原因主要是由于GaN的电场优势有所发挥，而此前一度认为GaN不适合做功率器件。他说：“自从外延上高压技术首次取得突破，我们就从射频技术转向了高压技术。”

如今市场的主流还是以4英寸产品为主。“我们同时也在密切关注6英寸的发展，但是对于600V耐压功率产品来说临界电场强度和均匀性都是有很高的要求的，”Sönmez解释道。器件开发工作几近完成，不久MicroGaN公司将会推出他们的中试产品，在线测试以及面向主导客户同时进行。

德国的厂商们也在纷纷猜测这种二极管和交换器原型器件的性能。这种600V耐压肖特基势垒二极管，号称最优异性能，可以在0.3V下开启，1.2V下达到4A输出。这相对于SiC0.9V的开启电压有明显改善，主要是由于硅基GaN上直流损失会更小。

同时该公司这款常关开关的导通电阻为320 mΩ，栅源电压为0V，漏源电压600V下漏电流为1mA。固定漏源电压0.7V下，漏电流达到2A时栅源电压为仅为3V。

 

 

 

图2： GaN LEMT和硅基肖特基二极管相结合使得这种超低压特性的二极管具有高压特性

 

对于商业化产品来说过高的制造成本使得仅有高性能也是无法获利的。Sönmez表示对于这款产品来说不存在这样的问题。他宣称这种硅基GaN常关开关器件的成本要比复杂的硅制作工艺低。他说：“我们的工艺复杂程度也是比较低的——低于复杂的硅制作工艺，例如CoolMOS。远低于SiC工艺，SiC工艺需要做沟道或者其他工序以实现常关功能。”

他也承认目前外延方面的成本要高于硅(Si)外延，但如果电阻值能有10倍降低的话那么这一点也会被抵消掉。他说：“最终的结构成本竞争将会以达到硅(Si)工艺成本为最终目标。”

 MicroGaN公司产品的初段应用会在替代硅(Si)基和SiC基器件上。在这一应用领域，电路不需要重新设计，仅仅需要替换掉那些SiC 的续流二极管和boost 二极管元件。这些元件用于功率因子校准单元中boost位置以及太阳能和电机驱动器中控制电流的H桥电路。

在功率电子领域的进一步应用就需要对现有的H桥电路重新设计，现有H桥电路包括了四个硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)和一些额外的续流二极管。首先MicroGaN公司的晶体管取代硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)，不需要额外的二极管。但延续下去进一步的设计将会更加理性化。Sönmez说：“我们将看到完全集成化的在单芯片上实现的功率转换技术，同时，现有的这种3D的技术的优势也将显现。”

未来的几个月中MicroGaN公司将会做一些试样的技术准备，为选定的计划在2012第一季度中初次试用的客户提供试样。一旦建立起制造的合作伙伴关系，将会很快导入量产。

“我们已经从初始阶段发展到可实现产业化。”Sönmez表示。不仅仅是外延代工，整个产品工艺都将实现转移，MicroGaN公司正朝着这个方向努力。他还说：“我们将首先实现具备成熟工艺条件的600V耐压器件的4英寸产线产业化。同时也会追踪6英寸的发展，一旦良率、均匀性、漏电等电性能满足要求我们将升级到6英寸。”如果MicroGaN公司能够实现这一平稳过渡，那么在功率器件市场上将会大发异彩。

 

             （理查德·史蒂文森 报道）

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一种标准制作工艺平台

MicroGaN公司有一个标准化的平台来制作3D结构的器件，这种器件具有600V耐压，且在这一耐压下实现了常开状态和常关状态的晶体管。

�？刺骞懿捎米罴虻ソ峁梗匆桓鼍哂性醇�、栅极、漏极的GaN基HEMT器件。这类器件一直不是市场的主流产品，由于考虑安全性等因素在大多数应用场合还是需要常关状态的晶体管。

 

      

 

 这种常关状态的结构相对复杂一点，是由一个GaN基HEMT器件和一个硅基肖特基势垒二极管构成。Ertugrul Sönmez说，硅基低压二极管特性，在低压下的极好性能表现，被转换到高压下得以实现。

 这就类似于常关状态晶体管，需要由一个GaN基HEMT器件和一个场效应管(MOSFET)配对组成。一个明显的优势是不再需要续流二极管，选用的场效应管(MOSFET)必须具有良好的质量以及低压势垒二极管的特性。

 硅基场效应管(MOSFET)由于高级别的存储特性在高电压下性能极差。但是在低电压下根本不存在这样的问题，这简直难以置信。因此，如同二极管一样，这种工艺平台具备了被转换到高压工作的硅基器件的优势。

 这不是这个工艺平台的唯一优势，Sönmez表示，如果要实现AlGaN/GaN材料体系的常关模式，必须要破坏栅极的二维电子气。成功的回避这一问题，MicroGaN公司制备的高性能器件，在导通电阻这一关键参数上具备优势，尤其随着器件尺寸增加显得更为重要。

 


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