Normally-off-D-Mode-氮化鎵晶體管的根本優(yōu)勢(shì)

transphrmHighestperformance,HighestReliabilityGaN氮化稼晶體管的根本優(yōu)勢(shì)氮化稼晶體管本質(zhì)優(yōu)勢(shì)對(duì)比之簡(jiǎn)短指南 氮化稼功率半導(dǎo)體器件毫無疑問是目前電力電子領(lǐng)域中非常火熱的—個(gè)話題。當(dāng)今占主導(dǎo)有兩種晶體管類型:Normally-ofD-mode和Normally-ofE-mode氮化稼晶體管。當(dāng)人們面臨選擇時(shí),有時(shí)會(huì)難以言明地傾向于使用增強(qiáng)型晶體管。而事實(shí)上,Normally-ofD-mode在性能、可靠性、多樣性、可制造性以及實(shí)際用途方面都是本質(zhì)上更優(yōu)越的平臺(tái)。這之中的原因在于Normally-ofD-mode能夠充分利用氮化稼材料本身優(yōu)勢(shì)。氮化嫁中的大自然績(jī)贈(zèng):二維電子氣(2DEG）氮化稼晶體管的成功很大程度上歸功于—個(gè)關(guān)鍵的自然現(xiàn)象:2DEG溝道。2DEG是在GaN和AlGaN薄層界面處自發(fā)形成極其快速的導(dǎo)電通道。其自發(fā)存在的電子濃度是半導(dǎo)體材料中可達(dá)到的最高之—。除此之外,它還可提供兩倍于最先進(jìn)的硅基或碳化硅晶體管的電子遷移率—高達(dá)2000cm2/v.s。因此,二維電子氣有著非?？捎^的低電阻—電容品質(zhì)因數(shù)（low每一個(gè)氮化嫁功率器件都源自耗盡型器件圖1展示了—個(gè)橫向（lateral）氮化稼功率晶體管的原型結(jié)構(gòu)—這幾乎是當(dāng)今市面上所有氮化稼器件的結(jié)構(gòu)。AlGaN/GaN層通過沉積在被精心設(shè)計(jì)的緩沖層隔開的硅襯底上以實(shí)現(xiàn)高圖1氮化稼功率晶體管之完善體現(xiàn)—耗盡型歸功于材料本性,在AlGaN/GaN界面處會(huì)自發(fā)形成2DEG溝道,而無需外部施加?xùn)艠O電壓。意味著器件是常開型的,若想要耗盡溝道電子從而關(guān)閉它則需要給柵極加負(fù)偏壓—這就是耗盡型器件。然而,電力電子系統(tǒng)往往需要常閉型器件來實(shí)現(xiàn)故障安全操作。那么這就有個(gè)問題:如何讓橫向的氮化稼高遷移率晶在Normally-ofD-mode技術(shù)中,氮化稼HEMT的結(jié)構(gòu)不變從而保持它的高性能及可靠性。在自然狀態(tài)下,2DEG溝道可不受束縛地最大化其無與倫比的高遷移率和電荷密度組合。NormallyofD-Mode氮化鎵晶體管的根本優(yōu)勢(shì)MOSFET結(jié)合來實(shí)現(xiàn)常閉型操作。該解決方案根據(jù)功率等級(jí)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框架可提供2.5伏至4.0伏的正閾值電壓。的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)2DEG優(yōu)勢(shì)有負(fù)面影響。Normally-ofE-mode增強(qiáng)型氮化鎵器件限制了2DEG的天然優(yōu)勢(shì)在工程師們將橫向氮化鎵HEMT的設(shè)計(jì)改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)常關(guān)型時(shí)不得不做出幾個(gè)關(guān)鍵的妥協(xié)。首先，2DEG濃度必須要減少，這會(huì)導(dǎo)致相較于自然狀態(tài)下更高的單位面積電阻[圖2]及更低的品質(zhì)因數(shù)(FOM)。其次，空穴摻下——這一層起到一個(gè)內(nèi)置的負(fù)電池(大約有-3.2伏)的作用從而關(guān)斷2DEG溝道并實(shí)現(xiàn)近1.6伏的較弱的正閾值電壓圖2較高的薄層電阻是由于為實(shí)現(xiàn)關(guān)斷溝道而導(dǎo)致較低的溝道電子濃度(b)ThesuperGaNmarkisaregisteredtrademarkofTransphorm,Inc.Allothertrademarksaethepropertyoftherrespectiveowners.44在處理雜訊環(huán)境或高功率水平時(shí),1.6V國(guó)值電壓可能是不夠的,往往需要使用大約-3V的負(fù)電壓柵極驅(qū)動(dòng),從而增加電路復(fù)雜性和額外的死區(qū)時(shí)間損耗。事實(shí)上,在-3V的柵極偏置下,從源極流向漏極的反向電流必須克服負(fù)柵極電壓,這會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗。最近,負(fù)驅(qū)動(dòng)對(duì)器件動(dòng)態(tài)或開關(guān)電阻的負(fù)面影響已成為主要研究和關(guān)注的焦點(diǎn)1。(這里的動(dòng)態(tài)電阻是應(yīng)用中的相關(guān)電阻,但是往往在Normally-ofE-mode器件供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表中沒有明確注多米諾效應(yīng):Normally-ofE-mode缺乏柵極隔離、動(dòng)態(tài)闖值問題、較低性能和脆弱性上述Normally-ofE-mode方案是有代價(jià)的:失去柵極隔離等等。用p-GaN代替柵極電介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致柵極不再被隔離。這在正向偏壓下會(huì)產(chǎn)生較高的柵極電流,從而嚴(yán)重限制了Normally-ofE-mode器件的最大柵極電壓額定值。為了減少較大柵極電流,可以采用另—種方法:柵極從歐姆金屬接觸改為肖特基勢(shì)壘[圖3b]。但是肖特基勢(shì)壘又帶來了另—個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)樗F(xiàn)在阻礙了導(dǎo)通瞬態(tài)期間柵漏電容的放電。這個(gè)引起了“動(dòng)態(tài)國(guó)值電壓”這—有害現(xiàn)象,從而導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的問題,如圖4所示。若干個(gè)研究組增加了27%,而Normally-ofD-mode器件僅增加了5%,從而減少了導(dǎo)通損耗。圖4里的Normally-ofE-mode數(shù)據(jù)也得到了其他—些獨(dú)立研究結(jié)果的支持4。圖4具有肖特基勢(shì)壘的Normally-ofE-mode器件難以對(duì)器件電容進(jìn)行放電,從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)國(guó)值電壓和導(dǎo)通電阻問題以及更高的損耗由于電容放電困難,Normally-ofE-mode器件的國(guó)值電壓在開關(guān)過程中不穩(wěn)定。與Normally-ofD-mode器件相比,這會(huì)導(dǎo)致更高的功率損耗。(這可能就是Normally-ofE-mode制造商通常不報(bào)告動(dòng)態(tài)RDS（on）的原因)。為了緩解這—問題,理論上可以對(duì)柵極進(jìn)行過驅(qū)動(dòng),以降低器件柵極下方的導(dǎo)通電阻。55然而,這種潛在的解決方案要求必須把柵極電壓控制在—個(gè)非常小的范圍內(nèi),因?yàn)樗荒艹^較低的柵極最大額定值,以防止柵極損壞(最大只有+7V),見圖5。圖5Normally-ofE-mode驅(qū)動(dòng)器全面開啟通道時(shí)只有1V的余量,因此很容易導(dǎo)致?lián)p壞2DEG遷移率隨溫度升高而降低也會(huì)導(dǎo)致p-GaN柵極跨導(dǎo)下降[圖6a],從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速度更慢,并且與Normally-ofD-mode相比,開關(guān)損耗也更多5,效率也更低。為解決這個(gè)問題,p-GaN柵極方案需要更大的芯片,但是這會(huì)增加米勒電容,降低整體效率和造成更高圖6（a）Normally-ofp-GaN柵極跨導(dǎo)隨溫度升高而下降,并降低柵極驅(qū)動(dòng)能力;（b）Normally-ofDGaN器件跨導(dǎo)不會(huì)隨溫度降低,因?yàn)楣钖艠O在高溫下不受GaN遷移率下降的影響另外,數(shù)據(jù)表也顯示Normally-ofE-mode的導(dǎo)通電阻有著比Normally-ofD-mode器件更高的溫度系數(shù),從攝氏25度到150度增加高達(dá)2.6倍[圖7],這導(dǎo)致了隨著溫度升高快速增長(zhǎng)66入到外延而引起的國(guó)值電壓漂移敏感性也限制了其性能。接到源極端子,以減輕由源極本身的電子注入引起的外延充電。這—設(shè)計(jì)將更厚的GaN外延來支持加在外延上的壓降,但這個(gè)需要更復(fù)雜的生長(zhǎng)技術(shù)和更高的成本,Normally-ofD-mode結(jié)構(gòu)的理念:正確的方法適用于正確的目的Transphorm以不同的方式處理氮化稼功率半導(dǎo)體。其技術(shù)平臺(tái)將常開型的氮化稼D-modeHEMT與高可靠、高性能的常閉型的低壓硅M0SFET結(jié)合在—起。這確保了平臺(tái)安全的常閉操作,同時(shí)保留了最高的氮化稼性能和最高的硅M0SFET柵極可靠性。開發(fā)Normally-ofD-mode結(jié)構(gòu)氮化稼平臺(tái)是經(jīng)過深思熟慮的,原因有很多,最重要的原因是它與氮化稼的自然特性協(xié)同工作,并且與今天的硅技術(shù)向后兼容。它允許平臺(tái)元素,特別是2DEG,發(fā)揮它們的最佳作用。因此,與其通過Normally-ofE-Mode(p-氮化稼柵極)限制氮化稼的優(yōu)勢(shì),Normally-ofD-mode結(jié)構(gòu)實(shí)際上更加能充分利用氮化稼的潛力。因此,Normally-ofD-mode代表了—個(gè)高性能、高穩(wěn)定度的氮化稼器件技術(shù)平臺(tái),具有業(yè)界領(lǐng)先發(fā)揮Normally-ofD-Mode的自然優(yōu)勢(shì)Normally-ofD-Mode結(jié)構(gòu)器件不會(huì)遇到Normally-ofE-Mode器件所經(jīng)歷的前述挑戰(zhàn)。例如,其解決方案不受動(dòng)態(tài)國(guó)值問題的影響,因?yàn)樗?qū)動(dòng)的是—個(gè)柵極隔離、低壓的硅M0SFET。國(guó)值電壓由硅FET獨(dú)立設(shè)定,與氮化稼HEMT無關(guān)。誤區(qū)—:現(xiàn)實(shí)是:在氮化稼Normally-of通電阻隨著額定電壓按二次方下降,圖A:600V超結(jié)硅器件、650V氮化稼Normally-ofD-Mode器件和(與氮化稼HEMT配對(duì)的)低壓硅FET的開關(guān)特性比較。低壓硅FET對(duì)整體氮化稼Normally-ofD-Mode電阻和電容的貢獻(xiàn)很小。77常閉的D-Mode結(jié)構(gòu)除了2DEG外,還會(huì)產(chǎn)生另—個(gè)自然的附加優(yōu)勢(shì):SiN/Si界面。該界面自然地隔離了器件的柵極,提供了汽車級(jí)的最大柵極額定值+/-20V,具有卓越的可靠性和大驅(qū)動(dòng)余量。國(guó)值電壓高達(dá)4V,且不會(huì)對(duì)2DEG有任何不利影響。硅低壓M0SFET不需要負(fù)壓關(guān)斷或任何特殊的柵極驅(qū)動(dòng)器。在所有開關(guān)條件下都穩(wěn)定,不存在與動(dòng)態(tài)國(guó)值問題相關(guān)的隱形如圖6b所示,Normally-ofD-M稼器件的跨導(dǎo)非常高,且不會(huì)隨溫度下降,因?yàn)樗晒鐼0SFET決定,并且獨(dú)立于2DEG遷這些優(yōu)勢(shì)得到了實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)的支持。當(dāng)Transphorm的Normally-ofD-Mode器件在商業(yè)電源適配器里取代Normally-ofE-mode氮化稼時(shí),實(shí)現(xiàn)了更高的效率和高達(dá)50%的機(jī)殼溫度下降(盡管這里用的Normally-ofD-Mode器件的數(shù)據(jù)表標(biāo)稱導(dǎo)通電阻要比E-mode高30%)[圖8]。值得注意的是,即使芯片尺寸更小、數(shù)據(jù)表里電阻更高,Transphorm的Normally-ofD-Mode氮化稼器件(商標(biāo)為SuperGaN)在性能上也還是優(yōu)88圖8:Transphorm的Normally-ofD-Mode氮化稼器件SuperGaN和P-GaNE-modeHEMT在280瓦雷蛇電源適配器上的性能差異。GaN的封裝多樣性等于客戶應(yīng)用的兼容性D-Mode常閉平臺(tái)非常適合各種標(biāo)準(zhǔn)封裝,例如通孔、表面貼裝和多芯片模塊。這些封裝本身具有高性能和高可靠性,增加了氮化稼平臺(tái)本身的性能和可靠性。借助于現(xiàn)代封裝技術(shù),Transphorm高功率Normally-ofSuperGaN產(chǎn)品的寄生電感得以最小化。其采用了芯片堆疊技術(shù)和類似硅管的引線鍵合技術(shù)[圖9],無需引入額外的引線鍵合和額外的寄生電感。Normally-ofD-Mode產(chǎn)品也支持其他的封裝方案,例Normally-ofD-Mode結(jié)構(gòu)還非常適合系統(tǒng)級(jí)封裝集成,其中柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器與D-modeHEMT+低壓SiFET(單片或混合)無縫集成,為滿足不同的終端需求增加了另—一些額外優(yōu)勢(shì)圖9:SuperGaNFET芯片堆疊封裝(T0-247)。也可以采用表貼封裝,如PQFN、T0LL、T0LT或模塊此外,D-mode結(jié)構(gòu)里的GaNHEMT不需要將更高的額定電壓(例如:高達(dá)1200V7)和雙向,如果想要開發(fā)雙向開關(guān)器件,—個(gè)困難在于當(dāng)兩個(gè)端子的極性從接地電壓到直流總線電壓交替時(shí),基板應(yīng)該連接到哪個(gè)端子？對(duì)于p-GaN柵極HEMT來說,這是—個(gè)沒有明確答99誤區(qū)二:誤區(qū)二:現(xiàn)實(shí)是:在從反向?qū)ㄇ袚Q到關(guān)斷狀輸運(yùn)里少數(shù)載流子復(fù)合,還包括空間有反向?qū)ǖ碾p極性輸運(yùn),但它們?nèi)岳?隨著GaN器件滲透到電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng),它將需要具備短路能力。D-mode的絕緣柵電壓處理可實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)雅的設(shè)計(jì)方法。事實(shí)證明,此類方法可將極驅(qū)動(dòng)器的要求。值得注意的是,Transphorm通過其專有的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)了scWT,無需添加額外的掩模或電流感應(yīng)引腳,使得三引腳封裝仍然適用。迄今為止,E-mode器件似乎還沒有為這種可能性做好充分準(zhǔn)備,只有有限演示,有誤區(qū)三:圖B:GaN共源共柵器件具有高增益。良好的電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化的電源環(huán)路電感有助于抑制振蕩并實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和高結(jié)合上述優(yōu)勢(shì),TransphormNormally-ofD-Mode氮化稼技術(shù)平臺(tái)(superGaN)產(chǎn)生了—系列器件,優(yōu)化并且放大了GaN作為半導(dǎo)體材料的固有優(yōu)勢(shì),為下—代電力電子產(chǎn)品提供真正革命性的功率轉(zhuǎn)換解決方案。關(guān)于TransphormTransphorm(傳方半導(dǎo)體)是氮化稼革命的全球領(lǐng)導(dǎo)者,致力于設(shè)計(jì)、制造和銷售用于高壓電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的高性能、高可靠性氮化稼半導(dǎo)體功率器件,產(chǎn)品覆蓋全功率范圍(45w至10+kw)。Transph