从结构到架构:GaN器件可靠性仍待挖掘

来源:华强电子网 作者:Andy 时间:2019-03-08 14:07

结构 架构 GaN器件

      随着全球新能源汽车市场的广泛铺开,功率如今也成为各大整车OEM及用户所关注的热点之一,如何有效地管理和使用电源功率已成为当下新能源类产品在全球汽车市场实现规模化普及的关键挑战。作为第三代功率半导体领域的重要成员,GaN凭借其高速开关能力、精简的外围电路以及更低功率损耗等多项优势,在12V甚至未来48V的汽车电池DC-DC转换器以及OBC等应用上将大有用武之地。而目前,一些主要的生产商如Transphorm已经获得了汽车的相关资质,同时也有越来越多的国际半导体大厂如英飞凌、TI等也都开始跟进,GaN功率半导体在车载市场正快速起步。

  对于汽车DC-DC转换器这类应用来说,GaN器件的可靠性关系到整个转换器设备最终的转换效率、稳定性、安全性、功耗和散热等一系列参数。体现在GaN HEMT器件的结构和架构上要求也会十分严苛,需要从结构和架构层去进一步挖掘器件的可靠性设计潜力和价值,目前比较主流的还是在结构方面提升2DEG的面密度、架构上进行“常开向常闭”设计的转换。

  业内某资深IC设计工程师表示,“从GaN HEMT的结构上来看,其主要包括衬底、缓冲层、沟道层、隔离层以及施主层几部分。其中,器件核心部分为沟道、隔离和施主三层,由它们最终形成AIGaN/GaN异质结构,决定器件电荷流动和开关速度等各类参数。当器件通电时,电子从n型AIGaN层扩散到非掺杂的GaN层,形成2DEG(即二维电子气),GaN HEMT就是通过栅极下的肖特基势垒来控制AIGaN/GaN异质结构中的电子气浓度,从而实现对电流的控制的。”

  通过改变GaN HEMT的栅极电压,可以相应的改变在AIGaN/GaN异质结构界面处所形成的三角形势阱的深度和宽度,进而达到改变2DEG的浓度,控制HEMT电流的目的,该资深IC设计工程师强调:“HEMT的工作区为非掺杂的GaN层,在低温下由于晶格的振动会相应的减弱,n型AIGaN层中的电离杂质中心对紧邻的2DEG散射显得很重要。所以,一般业内为了完全将杂质中心与2DEG隔离开来,往往会在n型AIGaN层和GaN层中间加一层非掺杂的AIGaN隔离层,通过该隔离层的作用来提高2DEG的迁移率,尤其是低温迁移率。而目前,高2DEG的面密度设计仍然是业内GaN HEMT结构可靠性设计方面的关键挑战,因为如果隔离层设计的厚度过大,就会使得2DEG的面密度直线下降,导致源极和漏极的串联电阻增加,从而直接影响GaN HEMT的可靠性。在这方面,业内比较多的是通过改变AIGaN/GaN异质结处的导带差以及提升器件的自发极化和压电极化效应的影响等多重手段来提升AIGaN/GaN界面的2DEG密度,从根本结构上来充分挖掘和提升GaN器件的可靠性,但具体能够改变多少还决定于各厂商采用的自主方案,见仁见智。”

  除结构设计以外,由于传统的耗尽型GaN芯片在操作中一般都处于“常开”的状态,因此必须先施加负偏压计,否则系统将很容易发生短路,这就迫使常开型的GaN设计难以适应各不同场景的应用要求,尤其是对可靠性要求极高的汽车领域。因此,如今供应商也都从耗尽型器件转移到增强型器件,因为这些器件通常是关断状态,直到电压施加到栅极后才会打开,这对于OEM们来说也会更为理想。

  对此,邓巍博士表示:“GaN作为一个常开型器件,很难被客户所应用和接受。因为大家无论是在硅,还是其他器件上已经熟悉了常关型的理念。所以,英飞凌非常了解这个状况,并在技术细节和工艺上做了一些改动,比如我们在栅极加了‘P-’,做出了一个市场比较容易理解的常关型器件。”

  具体来讲,"首先,我们采用了P型氮化镓电阻栅,栅极电压超出正向电压时进行空穴注入。氮化镓我们采用的是一个常关的理念,作为第三代半导体器件,氮化镓如果不在栅极做任何的电压动作的话,它中间有一个二维电子气的层,中间会有电子在中间流动。因此,我们也做了P型氮化镓漏极接触设计,来避免电流崩溃,实际上氮化镓有一个业界比较棘手的问题叫做动态RDS(ON),英飞凌解决这个问题的关键就在于引入了‘P-’,因为动态RDS(ON)有很多电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通,这样会造成影响。把‘P-’放在这里之后,表面的电子就可以被中和掉,这样能够从技术的根本来解决问题,这也是为什么英飞凌可以在工艺领域领先的原因。总体来讲,英飞凌CoolGaN氮化镓产品的等效电路的栅极是一个阻性的栅极,有一个二极管进行自钳断式阻性栅极,即阻性栅极内部将VGS钳位到安全范围。高栅极电流可实现快速导通;稳健的栅极驱动拓扑。这个等效电路提供这些优势的同时,能够保证非常高的可靠性。目前,这个结构只有英飞凌和松下可以用,这种独一无二的常闭式概念解决方案是目前业内获得最长使用寿命,达到器件高可靠性的理想之选。”邓巍博士进一步补充到。



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