发布日期:2020年6月5日
贡献:Sinjin Dixon-Warren，博士
电力电子工业正处于转型时期。多年来，硅基器件一直主导着行业，传统Si MOSFET晶体管用于较低功率和中频，超结(SJ) MOSFET器件用于更高频率和更高电压，IGBT器件用于高功率和较低频率。传统Si MOSFET和SJ MOSFET通常在消费者应用中发现，如移动交流适配器，而IGBT用于工业，混合动力和电动汽车(EV)应用，太阳能应用，和在大型电源。
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是最近十年出现在市场上的新型宽带隙(WBG)技术，它们的目标是取代硅技术。碳化硅有望取代IGBT技术，因为它能够在更高的温度、更高的功率、更高的频率和更低的损耗下工作。氮化镓主要取代了SJ MOSFET技术，这也是因为它能够以更低的损耗在更高的频率下工作。GaN、SiC和SJ MOSFET技术直接竞争650 V插座，目前尚不清楚哪种技术最终将在这个中间电压水平上主导市场。
基于GaN-on- si的高电子迁移率晶体管(HEMT)是GaN电力电子领域最有前途的新兴技术。它们是电力系统与设备国际研讨会(ISPSD)和应用电力电子会议(APEC)的定期主题。
HEMT装置的发明通常被认为是由日本富士通公司的物理学家Takashi Mimura于1979年发明的。HEMT器件的最初基础是砷化镓。在GaAs衬底表面形成薄层AlGaAs，在AlGaAs/GaAs界面形成二维电子气体(2DEG)层。对2DEG电导率的调制构成了HEMT器件的基础。Takashi Mimura于1979年申请了这项发明的专利，JPS5953714B2CA1145482A)
氮化镓的物理性质意味着，基于AlGaN / GaN接口的GaN Hemts应采用低导通电阻，由于具有宽带隙而导致的高迁移率和低开关损耗，与SI相比功率晶体管。该技术具有用于电压转换器应用中的电力开关晶体管的应用。不幸的是，GaN材料的特性使GaN设备的商业化挑战。只有在过去十年中，商业GaN HEMT电力电子技术出现在开放式市场上。
GaN Hemts于1991年首次获得专利US5192987A（'987专利）由M.A. Khan，J.M.Vanhove，J.N.Kuznia和D.T. Olson在APA Optics Inc.在明尼阿波利斯，MN。它是一种装置（或机器）专利。该专利是题为“具有GaN / Alx Ga1-X N异质结的高电子迁移率晶体管”，并且摘要总结了如下：
公开了一种高电子迁移率晶体管，它利用了GaN/Alx Ga1-x N异质结中出现的二维电子气体增加的迁移率。这些结构是用低压金属有机化学气相沉积法沉积在基面蓝宝石上的。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 Optics还申请了第二种方法（或过程）专利，US5296395A，描述了GaN HEMT器件的制备过程。APA光学继续存在。2004年公司名称改为APA企业，2008年更名为Clearfield公司。该公司目前在明尼阿波利斯的办公室和墨西哥蒂华纳的第二家工厂生产光纤组件。这两项专利后来被重新分配给了国际整流器公司，现在是英飞凌的一部分。这两项开创性的GaN专利现在都已经过期，因此提出的概念任何人都可以免费使用。
在这篇简短的文章中，我们计划回顾GaN HEMT发明，如开创性的APA Optics ' 987仪器专利所述，然后将其与当前商业GaN HEMT技术进行比较。该信息最初是准备在2020年亚太经合组织会议上提交的TechInsights研讨会。
权利要求1'987 APA光学GaN专利描述了本发明的基本概念，其通常适用于电流市售的GaN HEMT功率器件。我们强调了专利的关键索赔元素。
一个晶体管,包括:
- 一个底物;
- 一个缓冲区，所述缓冲层沉积在所述衬底上;
- 第一主动层，所述第一活性层基本上由GaN组成，所述第一活性层沉积在所述缓冲层上;
- 第二活跃层，第二活性层主要由Alx ga1 - xn组成，其中x大于0且小于1;和
- 多个电连接，驻留在第二有源层上的电连接，多个电连接包括：
- 一个源连接，位于第二有源区域上的源连接;
- 门的连接，所述栅连接位于所述第二有源区域上;
- 排水连接，驻留在第二个有源区上的排水连接;
图1显示了' 987 APA Optics GaN HEMT专利的图像，说明了本发明的基本概念。上面用下划线标出的关键索赔元素被映射到图中的图中。本发明包括在衬底上形成的氮化镓基异质结构。2DEG在GaN第一活性层和薄AlGaN第二活性层之间的界面形成。源极、漏极和栅极连接在AlGaN第二有源层上形成，从而形成HEMT器件结构。典型地，晶体管将表现为一个正常开(耗尽模式)器件，当栅极不偏置时它是开的。
图1 US5192987A图6
通过反向工程和专raybet炉石传说利分析，我们已经能够观察到APA光学专利' 987在多个最近的GaN电力电子产品的关键权利要求要素，例如，从国际整流器，GaN系统，Navitas，英飞凌，松下，高效功率转换，ONSemiconductor，transhorm和德州仪器公司。我们将在这里回顾两个选定的示例。我们的2020年亚太经合组织演示文稿和TechInsights网络研讨会。
国际整流器首先与甘尾电力装置，IP2010PBF GAN的电力舞台上市，该电力阶段于2010年2月发布。国际整流器是一家美国半导体公司，成立于1954年。2015年它成为英飞凌的一部分。如图2所示，IP2010PBF包含GaN-On-Si HEMT，用ASIC共同包装。GaN-On-Si模具具有两个单独的功率晶体管块，其在高侧/低侧桥配置中连接。
图3为IP2010PBF GaN-on-Si HEMT模具总体结构的透射电镜横断面显微图。987年专利的关键权利要求要素已经映射到这张图上。电测量也在这个模具上进行，确认它作为一个晶体管运行，根据' 987专利的要求。
接触区和栅区更详细的透射电镜截面图如图4所示。欧姆金属0接触层用于使源极/漏极电连接到位于AlGaN第二活性层和GaN第一活性层之间界面的2DEG。由于在TiN栅极材料和AlGaN之间存在氮化硅栅极介质，该器件将具有正常工作的特性。987年专利中没有明确描述栅介质的存在，而是描述了肖特基栅触点的使用。肖特基门通常不用于电力电子应用，但它们通常用于高频RF GaN HEMT器件。
图2国际整流器IP2010PBF GAN的功率级
图3国际整流IP2010PBF通用器件结构- TEM
图4国际整流IP2010PBF一般设备结构- TEM详细
Navitas Semiconductor是一家美国单片集成（GanFastTM）GaN-On-Si功率IC的美国制造商。它们位于加利福尼亚州的El Segundo。在2018年在APEC上，Navitas宣布NV6252 650 V集成GaN半桥，专为主动钳位反激应用而设计。TechInsights最近发现了Aukey PA-U50 USB墙上充电器中的NV6252设备。
图5示出了从Aukey PA-U50提取的主PCB的照片。还示出了图5中的图5是NV6252器件的平面图X射线图像。在X射线中可以看到两个模具，其中模具标记NV6H002和HV6L002分别对应于半桥的高侧和低侧晶体管，在X射线中看到。从设备的设备框图数据表，显示在X射线图像下方。
HV6H002高侧模的照片，处理到晶体管栅级，如图6所示。在模具的右下角观察到一个功率晶体管块，而一个模拟电路块包裹在模具的顶部和左侧。大功率晶体管的存在证实了该设备作为晶体管运行，按照' 987专利的要求。
图7显示了NV6252内部HV6L002低侧模的模拟区域中晶体管的平面和截面SEM显微图。987年专利的关键权利要求要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触点下存在台面结构。这个台面是由p型GaN构成的，它形成了晶体管的实际栅极。在这个台面中p型GaN的存在导致2DEG中载流子的耗尽，从而产生正常关断(增强模式)操作。这一概念并不是预期在最初的APA光学专利，但在电力电子应用首选。
最后，图8显示了用于形成两种NV6252模具的gan基外延的SEM和TEM截面图。采用了十层氮化镓基外延材料，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。
图5 Navitas NV6252集成GAN半桥
图6 Navitas HV6H002高端模具布局
图7 Navitas HV6L002低侧模模拟电路
图8 Navitas HV6H002高侧模具GaN外延结构
氮化镓电力电子是半导体技术中一个新兴的领域。TechInsights正在观察GaN-on-Si和GaN-on-SiC功率晶体管在越来越多的商业产品中的应用。研究结果表明，1991年987年发明的GaN HEMT专利目前已得到广泛应用。然而，978年专利中的概念现在已经属于公共领域了。自1991年以来，有相当多的创新，包括使用更复杂的gan基外延，使用Si和SiC衬底，而不是在' 987专利摘要中描述的蓝宝石(AlO)衬底，正常关闭操作的工程，以及最近的松下混合栅注入(dd - git)技术。TechInsights将继续监测这一市场，并报告关键创新，作为我们的一部分功率半导体元件订阅程序。
