重温精囊炎APA光学GaN HEMT的专利

发布时间:2020年6月5日
作者:Sinjin dixun - warren,博士

电力电子行业正处于转型期。多年来,硅基器件在业界占据主导地位,传统的Si MOSFET晶体管用于低功率和中频,超级结(SJ) MOSFET器件用于高频率和高电压,IGBT器件用于高功率和低频率。传统的硅MOSFET和SJ MOSFET通常在消费者应用中发现,如移动AC适配器,而IGBT在工业,混合动力和电动汽车(EV)应用,太阳能应用,和在大型电源供应。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是较新的,已经在市场上出现在过去的十年内,并且该宽能带隙(WBG)技术的目标置换这些硅技术。碳化硅节目承诺位移IGBT技术,由于其在较高温度和较高的功率与较高的频率操作的能力,并用较低的损耗。氮化镓主要位移SJ MOSFET技术,也由于其在较高的频率以较低的损失的操作能力。氮化镓,碳化硅和SJ MOSFET技术的直接争夺650 V.插座胜目前尚不清楚哪种技术最终将主宰市场,在这个中间电压电平。

基于GaN的上硅高电子迁移率晶体管(HEMT)是在GaN功率电子器件的最有前途的新兴技术。他们是在一年一度的国际研讨会电力设备和系统(ISPSD)会议,并在应用电力电子会议(APEC)一个普通的话题。

HEMT元件的本发明通常被认为是三村隆,物理学家在富士通在日本于1979年的工作的HEMT器件的最初基础是砷化镓。形成GaAs衬底的表面上形成薄的AlGaAs层,从而导致在所述的AlGaAs /砷化镓界面处形成的二维电子气(2DEG)层组成。二维电子气的电导率调制形成HEMT器件的基础。隆三村在1979年申请了专利的发明中,JPS5953714B2(也参见CA1145482A)

氮化镓平均值的物理性能的GaN HEMT,其基于的AlGaN / GaN界面上,应该具有低的导通电阻,由于高流动性和低的开关损耗,由于宽带隙,相比于硅功率晶体管。该技术已应用在电压转换器应用中的功率开关晶体管。不幸的是,氮化镓材料的性能取得了GaN器件具有挑战性的商业化。只是在过去的十年里,商业GaN HEMT的电力电子技术已经出现在公开市场上。

的GaN HEMT最初是在1991年获得专利的下US5192987A(所述“987专利)通过M.A.汗,J.M. VanHove,J.N.和的Kuźnia奥尔森D.T.在APA Optics公司在明尼苏达州明尼阿波利斯。它是一个设备(或机器)专利。该专利的题目是“用的GaN / ALX GA1-×N个异质结高电子迁移率晶体管”及摘要概述了本发明,如下所示:

本发明公开了一种高电子迁移率晶体管,该晶体管利用了在GaN/Alx Ga1-x N异质结中产生的二维电子气体所增加的迁移率。利用低压金属-有机化学气相沉积技术将这些结构沉积在基平面蓝宝石上。异质结的电子迁移率大约是620 cm2 /伏秒室温相比在180°K和56厘米2 /伏秒下降到19厘米2 /伏秒77°K .异质结构的流动性,然而,增加到一个值1600 cm2每伏秒在4°K 77°K和饱和。

APA光学也申请了第二种方法(或过程)专利,US5296395A,描述了氮化镓HEMT器件的制作过程。APA光学继续存在。2004年,公司更名为APA企业,2008年更名为Clearfield Inc。该公司目前在其位于明尼阿波利斯的办公室和位于墨西哥蒂华纳的第二家工厂生产光纤组件。这两项专利被重新分配给国际整流器,现在是英飞凌的一部分。这两个开创性的GaN专利现在已经过期,因此提出的概念对任何人都是免费使用的。

在这篇短文中,我们计划回顾在APA光学987仪器专利中所描述的氮化镓HEMT发明,然后将其与目前商业化的氮化镓HEMT技术进行比较。这一信息最初是为2020年亚太经合组织会议和a会议准备的TechInsights研讨会

987年APA光学GaN专利的权利要求1描述了这项发明的基本概念,一般适用于目前商业上可用的GaN HEMT功率器件。我们已经强调了专利的主要要求要素。

一个晶体管,包括:

  • 一个底物;
  • 一个缓冲区,所述缓冲液沉积在基板上;
  • 第一有源层中,第一活性层基本上是由GaN,第一有源层沉积在缓冲的;
  • 第二层活动层,第二层活性层主要由Alx Ga1-x N组成,其中x大于0小于1;和
  • 多个电连接的,驻留在第二有源层上的电连接,所述多个包括电连接的:
    • 一个源连接中,源连接驻留在所述第二有源区;
    • 门的连接中,栅极连接驻留在所述第二有源区;
    • 漏连接中,漏极连接驻留在所述第二有源区;
从而允许电势差被施加到所述第二有源区,以便允许操作作为一个晶体管

图1显示的图像从987 APA光学GaN HEMT专利,说明了发明的基本概念。上面加了下划线的关键声明元素被映射到图中的图中。本发明包括一种在基板上形成的gan基异质结构。在氮化镓第一活性层和薄藻第二活性层之间的界面上形成一2DEG。源、漏和栅极连接形成在藻的第二有源层之上,从而形成HEMT器件结构。典型地,晶体管表现为正常开(耗尽模式)器件,当栅极不偏置时是开的。

US5192987A图6

图1 US5192987A图6

Through reverse engineering and patent analysis, we have been able to observe the key claim elements of the APA Optics patent ‘987 in multiple recent GaN power electronics products, including, for example, from International Rectifier, GaN Systems, Navitas, Infineon, Panasonic, Efficient Power Conversion, ONSemiconductor, Transphorm and Texas Instruments. We will review two selected examples here. Further examples are presented in our2020年亚太经合组织演示和TechInsights的研讨会。

国际整流器公司是市场上第一个氮化镓上硅功率器件,该IP2010PBF GaN基功率级,这是2月公布2010年国际整流器公司是美国的半导体公司,成立于1954年。2015年它成为了英飞凌的一部分。如图2所示,IP2010PBF包括氮化镓上硅HEMT,共包装用ASIC中。在氮化镓上的硅管芯设有两个分离的功率晶体管块,即在高压侧/低侧桥式配置布线。

图3是IP2010PBF GaN-on-Si HEMT模具总体结构的透射电镜横断面图。987年专利的关键要求元素已经映射到这张图片上。电子测量也在这个模具上进行,确认它作为晶体管工作,正如987年专利所要求的那样。

更详细的接触区和门区透射电镜横断图如图4所示。一个欧姆金属0接触层被用来使源/漏电连接到位于AlGaN第二有源层和GaN第一有源层之间的界面上的2DEG。由于在锡栅材料和藻类之间存在氮化硅栅介质,该装置将具有正常工作的特点。在987年的专利中并没有明确描述介电栅的存在,而是描述了肖特基栅触点的使用。肖特基栅极通常不用于电力电子应用,但通常用于高频射频GaN HEMT器件。

GaN基国际整流器IP2010PBF功率级

图2国际整流器IP2010PBF GaN基功率级

国际整流器IP2010PBF通用器件结构 -  TEM

图3国际IP2010PBF整流器总体装置结构——TEM

国际整流器IP2010PBF通用装置结构—TEM详细说明

图4国际IP2010PBF整流器总体装置结构- TEM详图

纳维半导体是单片集成(GaNFastTM)的总部位于美国的制造商上GaN的Si功率IC。他们的总部设在加利福尼亚州埃尔塞贡多。在APEC在2018年,纳维宣布NV6252 650 v集成氮化镓半桥,专为有源钳位反激式应用。TechInsights的最近发现在Aukey PA-U50 USB壁式充电器的NV6252设备。

图5示出了从Aukey PA-U50提取的主PCB的照片。在图5中还示出了NV6252装置的俯视透视图像。两个管芯,管芯与标记NV6H002和HV6L002,对应于高侧和半桥的低侧晶体管分别是出现在X射线。该装置的方框图,从该装置数据表,如下图所示。

HV6H002高侧模的照片,处理到晶体管栅级,在图6中显示。一个功率晶体管块被观察到在模具的右下角,而一个模拟电路块包裹在模具的顶部和左侧。大功率晶体管的出现证实了该设备作为晶体管运行,正如987年专利所要求的那样。

图7显示了NV6252中发现的HV6L002低侧模模拟区晶体管的平面视图和横断面SEM显微图。987年专利的关键要求元素已经映射到这些图像上。对晶体管的栅极区域的检查显示在栅极接点下面存在一个台面结构。这个台面是由p型氮化镓构成的,它构成了晶体管的实际栅极。p型氮化镓的存在导致了2℃载体的耗尽,从而导致正常关闭(增强模式)操作。这一概念没有预期在最初的APA光学专利,但优先在电力电子应用。

最后,图8显示了用于形成NV6252模具的甘基外延的横断面SEM和TEM显微图。采用了十层gan基外延,包括两种超晶格结构。987年专利的关键要素继续得到支持,尽管有额外的复杂性。

纳维NV6252集成氮化镓半桥式

图5纳维NV6252集成的GaN半桥

Navitas HV6H002高侧模具布局

图6 Navitas HV6H002高侧模具布局

Navitas HV6L002低侧模模拟电路

图7纳维HV6L002低侧模具模拟电路

Navitas HV6H002高侧模GaN外延结构

图8纳维HV6H002高端模具的GaN外延结构

以氮化镓为基础的电力电子技术是一个迅速兴起的半导体技术领域。TechInsights正在观察越来越多的商业产品中使用的GaN-on-Si和GaN-on-SiC功率晶体管。我们的研究结果表明,1991年987年GaN HEMT专利现已得到广泛应用。然而,978年专利的概念,现在是在公共领域。自1991年以来,已经有了相当多的创新,包括使用更复杂的gan基外延,使用Si和SiC衬底,而不是987年专利摘要中描述的蓝宝石(AlO)衬底,正常关闭操作工程,以及最近的泛纳电子学混合栅注入(HD-GIT)技术。TechInsights将继续关注这一市场,并将重点创新报告作为我们的一部分功率半导体元件订阅程序。

下面的网络研讨会提供了本文所涵盖主题的额外讨论

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