集成6个GaN晶体管的单芯片逆变器

艾索新能源 2009-12-18 10:26:46

    松下开发出了由采用GaN类半导体的晶体管构成的逆变器IC,并在半导体制造技术相关国际学会“2009 IEEEInternational Electron Devices Meeting（IEDM2009）”上予以发布（论文编号7.6）（图1）。论文称，这种逆变器IC可用来驱动马达（图2）。逆变器IC的特性优良，逆变器转换损失为4.8%,与采用IGBT的以往逆变器电路8.3%的转换损失相比，损失减少了约42%（20W输出功率时）。

图1GaN逆变器IC的芯片照片

图2马达驱动时逆变器IC的输出波形

    由于具有效率高、以及可在高温下驱动之类的特点，采用GaN及SiC之类宽禁带（Wide BandGap）半导体的功率器件越来越受到关注。此前是在晶体管以及肖特基势垒二极管（SBD）之类的元件层面上进行开发，如今该领域的集成化时代似乎已经到来。集成化使得晶体管之间靠得更近，因而只需较短的布线即可，因此，与将晶体管元件嵌入到底板上、元件间用电线进行连接时相比，可降低寄生电感。论文称，与IGBT等硅类功率器件相比，GaN类器件不仅具有导通电阻较低的特点，而且通过集成化降低寄生电感之后，还可制造更高速的开关。

    在硅底板上集成GaN晶体管

    此次松下在学会上发布的逆变器IC,是在硅底板上集成了6个由GaN类半导体制成的常闭（NormallyOff）型电场效应晶体管（FET）元件而成的。当源漏极电压为正电压时，这种GaN晶体管充当电场效应晶体管，为负电压时，则充当二极管。因此，组装逆变器电路时无需使用快恢复二极管（FastRecoveryDiode），芯片上只集成晶体管即可。也就是说，成了“单芯片逆变器”（图3）。由于所集成的晶体管为横型FET,因此晶体管间的布线只在底板表面上进行即可，这也对集成化起到了促进作用。

    如果考虑到马达驱动之类的使用状况，那么，元件单体以及元件之间必需确保较高的耐压。其中，在像此次这种IC的情况下，由于元件靠得近，因此元件间有耐压下降之虞。松下发布的逆变器IC为了确保这种元件间耐压，在晶体管间注入铁（Fe）离子，以形成绝缘区（图4）。由此，元件间获得了900V的耐压。该公司的学会发布资料显示，与采用碳（C）离子以及硼（B）离子形成绝缘区时相比，采用铁离子更具热稳定性（图5）。另外，晶体管单体的耐压确保达到了700V.该公司表示，由于设在用来布设电路的GaN类半导体层与硅底板之间的缓冲层比以前加厚，因此获得了700V的耐压。GaN晶体管的导通电阻为2.0mΩcm2.

逆变器IC的芯片尺寸为2.5mm×2.7mm.所集成晶体管的栅极宽度为25mm.硅底板采用150mm（6英寸）晶圆，通过MOCVD装置，结晶生成缓冲层、i-GaN层、i-AlGaN层以及作为栅极的p-AlGaN层等GaN类半导体层，并在此形成晶体管。论文称，通过利用多层结构的缓冲层，得到了无裂缝（Crack）的GaN类半导体层。

    此次的开发成果是在与日本新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）的联合研究项目中取得的。