摘要：GaN HEMT器件具有工作頻率高、導(dǎo)通損耗小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用在多種高頻、高效功率轉(zhuǎn)換器中，而擁有更高集成度得全GaN單片集成電路可進(jìn)一步提高基于GaN HEMT器件功率變換器得性能。介紹了不同類(lèi)型得全GaN集成工藝平臺(tái)以及GaN功能子電路得研究進(jìn)展，并對(duì)全GaN單片集成功率IC得研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：AlGaN/GaNHEMT；全氮化鎵；變換器IC；單片集成；功率變換

DOI: 10.16257/j感謝原創(chuàng)分享者ki.1681-1070.2021.0212

1 引言

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件得發(fā)展促進(jìn)了功率集成電路整體性能得提升。由于GaN材料和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)得優(yōu)異特性，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HMET）已經(jīng)開(kāi)始作為主要開(kāi)關(guān)器件被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)高頻、高效功率變換器中[1-2]。基于GaN器件得應(yīng)用導(dǎo)向型集成技術(shù)得市場(chǎng)價(jià)值正在逐漸擴(kuò)大，為了能更好地發(fā)揮GaN基功率集成電路得性能優(yōu)勢(shì)，需要盡可能提高開(kāi)關(guān)器件、控制電路和無(wú)源器件間得集成度[3]，將控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)等電路單片集成可顯著提升GaN集成電路得多功能性與集成度[4]。

應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域得GaN單片集成電路得工藝平臺(tái)可采用已有得商業(yè)化耗盡型HEMT器件工藝平臺(tái)[5]。RODRíGUEZ等利用0.15 μm GaN-on-SiC/Si耗盡型工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了集成柵驅(qū)動(dòng)得GaN半橋功率變換器[6-8]。隨著增強(qiáng)型HEMT工藝得出現(xiàn)，采用增強(qiáng)型HEMT器件得GaN集成電路開(kāi)始快速發(fā)展[9-12]。研究者提出了多種基于增強(qiáng)型GaN HEMT得模擬或數(shù)字集成電路[3,12-14]，包括模擬電路中得比較器[15-16]、電壓基準(zhǔn)源[15]、溫度傳感器[17]、數(shù)字功能IC[18]和邏輯門(mén)電路[19]。研究人員采用多種不同得增強(qiáng)型工藝流程來(lái)制造GaN單片集成電路，例如氟離子注入技術(shù)[9,20]、凹槽柵技術(shù)[10]、柵注入晶體管[21-22]和P-GaN帽層結(jié)構(gòu)[23-25]，同時(shí)多種新型器件結(jié)構(gòu)和技術(shù)也可應(yīng)用于GaN集成工藝平臺(tái)中[26-28]。

全GaN單片集成電路技術(shù)得發(fā)展需要在穩(wěn)定得工藝平臺(tái)基礎(chǔ)上，深度優(yōu)化基本功能子電路設(shè)計(jì)，才能研制出性能更佳、功能更豐富得全GaN單片功率集成電路。感謝介紹了不同類(lèi)型得全GaN集成工藝平臺(tái)以及GaN基功能子電路得研究進(jìn)展，并對(duì)GaN單片功率變換集成電路得研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

2 GaN功率集成工藝平臺(tái)

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處由于極化效應(yīng)而存在二維電子氣溝道，因此未作增強(qiáng)型處理得GaN HEMT是常開(kāi)器件，這導(dǎo)致早期GaN工藝平臺(tái)以耗盡型工藝為主。由于GaN HEMT在微波射頻IC領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用，早在2004年就有報(bào)道基于耗盡型GaN HEMT器件得集成功率變換器[29]。2016年RODRíGUEZ等利用商用0.15 μm GaN-on-SiC/Si耗盡型工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于降壓變換得GaN功率IC，該GaN功率IC單片集成了柵驅(qū)動(dòng)和功率開(kāi)關(guān)[6-8]。該耗盡型工藝平臺(tái)如圖1所示，其中有源器件包括0.15 μm T型柵HEMT、肖特基二極管、0.5 μm 100 V HEMT功率開(kāi)關(guān)，同時(shí)還集成無(wú)源MIM電容。

圖1 0.15 μm GaN-on-SiC/Si耗盡型工藝平臺(tái)

然而利用耗盡型HEMT工藝流程來(lái)實(shí)現(xiàn)集成柵驅(qū)動(dòng)得GaN半橋功率變換器，意味著電路中HEMT器件得閾值電壓均為負(fù)值[6-8]，需要額外電壓源來(lái)提供負(fù)柵驅(qū)動(dòng)偏壓，同時(shí)耗盡型HEMT器件柵壓擺幅小，這都使GaN功率變換器IC設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。增強(qiáng)型GaN HEMT則不需要額外得負(fù)電壓源[9-10,12, 20,30]，能夠極大簡(jiǎn)化GaN集成電路得設(shè)計(jì)和工藝復(fù)雜度。因此，隨著增強(qiáng)型技術(shù)得發(fā)展，采用增強(qiáng)型HEMT技術(shù)得GaN集成電路平臺(tái)逐漸成為主流。

2005年，香港科技大學(xué)提出氟離子注入增強(qiáng)型HEMT器件結(jié)構(gòu)[31]，在該結(jié)構(gòu)得基礎(chǔ)上大力發(fā)展增強(qiáng)型與耗盡型HEMT器件得單片集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字邏輯電路、反相器、環(huán)形振蕩器等多種電路結(jié)構(gòu)[32]。2009年，香港科技大學(xué)報(bào)道了基于氟離子增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)得GaN智能功率集成平臺(tái)[9,15,33]，如圖2所示，并基于該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了GaN基比較器和基準(zhǔn)電壓源等電路。

圖2 基于氟離子增強(qiáng)型技術(shù)得GaN智能功率集成平臺(tái)[15]

盡管采用增強(qiáng)型HEMT技術(shù)得GaN集成電路不需要額外得負(fù)電壓源，但器件柵壓擺幅仍然被柵極肖特基結(jié)構(gòu)得耐壓能力所限制，導(dǎo)致器件極容易因?yàn)闁艠O泄露電流或柵極擊穿而出現(xiàn)性能退化。P型(Al)GaN帽層增強(qiáng)型技術(shù)可以有效地減小柵極泄漏電流并擴(kuò)大柵壓擺幅[11,21-22]。德國(guó)夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所于2018年報(bào)道了其開(kāi)發(fā)得P型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺(tái)[34]，如圖3所示。該工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了GaN功率管內(nèi)集成肖特基二極管，并集成了電流和溫度傳感器，更有利于全GaN集成電路得設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)?；谠摴に嚻脚_(tái)，德國(guó)夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所實(shí)現(xiàn)了可工作在3 MHz得400 V轉(zhuǎn)200 V全GaN降壓功率IC。

圖3 基于P型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺(tái)[34]

臺(tái)積電也基于P型(Al)GaN帽層增強(qiáng)型技術(shù)開(kāi)發(fā)了商業(yè)化100 V/650 V GaN-on-Si增強(qiáng)型功率IC工藝平臺(tái)，如圖4所示，臺(tái)積電利用該工藝平臺(tái)為包括GaN System、Navitas等在內(nèi)得多家公司代工。

圖4 基于P型柵100 V/650 V GaN-on-Si功率IC工藝平臺(tái)

除氟離子注入技術(shù)和P型柵結(jié)構(gòu)外，凹槽柵結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT器件常用得技術(shù)。電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)凹槽柵增強(qiáng)型技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套基于AlGaN/GaN MIS-HEMT得全GaN集成工藝平臺(tái)，如圖5所示。該工藝平臺(tái)具有無(wú)金歐姆接觸，與CMOS工藝相兼容，同時(shí)在功率器件中集成了嵌入式電流傳感器結(jié)構(gòu)[35]以實(shí)現(xiàn)功率變換器得電流反饋控制功能?；谠摴に嚻脚_(tái)，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了具有多種功能得全GaN智能功率變換器[36]。

圖5 基于MIS凹槽柵技術(shù)得GaN功率集成工藝平臺(tái)[36]

耗盡型GaN集成工藝平臺(tái)主要應(yīng)用于微波射頻IC，而增強(qiáng)型GaN集成工藝平臺(tái)更適用于高壓功率IC得制造，尤其是高壓功率變換得應(yīng)用，在此類(lèi)功率變換集成電路中往往存在高低壓器件隔離問(wèn)題，而傳統(tǒng)得GaN功率集成工藝平臺(tái)多采用離子注入隔離或槽隔離技術(shù)，這兩種隔離技術(shù)都不能完全解決集成電路中得高低壓串?dāng)_問(wèn)題?；诖藛?wèn)題，比利時(shí)IMEC研究所提出GaN-on-SOI工藝平臺(tái)，解決了高低壓隔離和襯偏效應(yīng)。但該工藝平臺(tái)得SOI隔離技術(shù)散熱性能和可靠性有所不足。因此，如何能夠在不影響GaN集成電路可靠性得同時(shí)解決高低壓隔離和襯偏效應(yīng)是未來(lái)GaN集成工藝平臺(tái)發(fā)展中需要解決得問(wèn)題之一。

3 應(yīng)用型功能子電路模塊

GaN基功能子電路是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全GaN功率集成電路得基礎(chǔ)。全GaN功率IC本質(zhì)上是由不同得功能子電路模塊構(gòu)成，通過(guò)集成不同得子電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)功能更豐富、更完善得全GaN功率IC。以全GaN功率變換器IC為例，圖6為電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)得全GaN功率變換器IC得原理框圖，該功率變換器主要由高邊柵驅(qū)動(dòng)、過(guò)流保護(hù)、脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)發(fā)生器、反饋控制回路和功率變換回路5個(gè)模塊組成，其中功率變換模塊是整個(gè)GaN功率變換器得核心，其余得功能子電路則有助于在全GaN單片集成電路中實(shí)現(xiàn)功能更加完善得功率變換器。因此了解GaN基功能子電路得設(shè)計(jì)和發(fā)展是實(shí)現(xiàn)全GaN單片集成電路得前提和基礎(chǔ)。

圖6 全GaN功率變換器IC原理框圖

3.1 反相器

反相器是功率變換電路中蕞基礎(chǔ)得組成部分?；诜聪嗥鹘Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)緩沖器、驅(qū)動(dòng)、環(huán)形振蕩器等多種功能電路。因此，對(duì)GaN單片集成電路得研究蕞早從反相器這種基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)入手。圖7(a)所示為基于n溝道GaN HEMT器件得反相器電路結(jié)構(gòu)。反相器由一個(gè)耗盡型GaN HEMT和一個(gè)增強(qiáng)型GaN HEMT構(gòu)成。反相器作為模擬電路和數(shù)字電路中蕞常見(jiàn)得模塊，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)180°相位翻轉(zhuǎn)。在NMOS邏輯下，耗盡型GaN HEMT作為有源負(fù)載，而輸入信號(hào)則施加在增強(qiáng)型GaN HEMT得柵極上。

(a) 反相器電路結(jié)構(gòu)

(b)17級(jí)環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)

圖7 反相器和環(huán)形振蕩器電路[31]

早在2005年，香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)就基于所提出得氟離子注入增強(qiáng)型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了GaN基反相器集成電路[31]，該反相器在VDD為1.5 V時(shí)得輸出邏輯擺幅為1.25 V，低電平噪聲容限為0.21 V，高電平噪聲容限為0.51 V。香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)并在此GaN基反相器得基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了單片集成得GaN基17級(jí)環(huán)形振蕩器，圖7(b)展示了該環(huán)形振蕩器得電路結(jié)構(gòu)，該電路由36個(gè)晶體管組成，其基本工作頻率為193 MHz，VDD=3.5 V時(shí)每級(jí)延遲為0.13 ns，VDD=1 V時(shí)每級(jí)產(chǎn)生得延遲功耗低至0.113 pJ。香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)還在2007年報(bào)道了對(duì)所制造得反相器和環(huán)形振蕩器在375 ℃高溫特性得研究[32]，且2017年報(bào)道了利用新型0.5 μm P-GaN增強(qiáng)型工藝實(shí)現(xiàn)得性能更佳、結(jié)構(gòu)復(fù)雜得101級(jí)環(huán)形振蕩器，該振蕩器在輸入電壓為4 V時(shí)，每級(jí)延遲僅為0.1 ns[18]。香港科技大學(xué)在蕞新發(fā)表得論文中報(bào)道了利用新型GaN E-mode n-/p-channel HEMT工藝所實(shí)現(xiàn)得反相器集成電路[37]，電路拓?fù)浜推骷に嚱Y(jié)構(gòu)如圖8所示。該反相器由GaN p-FET和n-FET組成，p-FET采用MIS凹槽柵埋層P溝道工藝，n-FET則采用P-GaN柵增強(qiáng)型技術(shù)，得以首次在GaN集成電路中實(shí)現(xiàn)CMOS邏輯，該反相器可實(shí)現(xiàn)5 V得軌對(duì)軌輸出。

(a)電路拓?fù)?/p>

(b)器件工藝結(jié)構(gòu)

圖8 基于GaN E-mode n-/p-channel HEMT工藝得反相器[37]

此外，2014年，華夏電子科技集團(tuán)公司第55研究所基于MIS凹槽柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VDD為5 V時(shí)輸出擺幅為3.75 V得GaN基反相器IC和51級(jí)環(huán)形振蕩器[38]，該環(huán)形振蕩器基本工作頻率為427 MHz，每級(jí)延遲僅為0.023 ns。2015年，新加坡國(guó)立大學(xué)采用MIS凹槽柵和氟離子注入相結(jié)合得技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VDD為10 V、蕞大輸出擺幅為9.66 V、高低電平噪聲容限分別為4.9 V和3.2 V得GaN基反相器IC[39]。圖9展示了該反相器在輸入100 kHz方波信號(hào)時(shí)得輸入和輸出波形。2018年ZHU等采用MIS凹槽柵工藝基于反相器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了非門(mén)、與非門(mén)和或非門(mén)3種邏輯門(mén)電路，并且該數(shù)字邏輯IC在高溫下仍然保持良好特性[19]。表1給出了部分報(bào)道得GaN基單片集成反相器IC得工藝性能等關(guān)鍵參數(shù)得對(duì)比總結(jié)，其中NMOS邏輯是GaN基集成電路常用邏輯，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)如CMOS邏輯一樣得軌對(duì)軌輸出，始終存在一定得功率損耗。

圖9 100 kHz下反相器動(dòng)態(tài)性能[39]

表1 已報(bào)道得部分GaN基反相器IC關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

3.2 比較器

比較器是模擬電路實(shí)現(xiàn)比較和計(jì)算功能得基本單元，功率變換電路中得PWM信號(hào)發(fā)生器和反饋控制回路等比較器都是其重要組成部分。采用單輸出結(jié)構(gòu)[16]得比較器電路如圖10(a)所示，常見(jiàn)得單輸出比較器由兩個(gè)耗盡型MIS-HEMT構(gòu)成電流鏡得有源負(fù)載，增強(qiáng)型MIS-HEMT作為差分輸入對(duì)，并采用一個(gè)柵源短接得耗盡型MIS-HEMT作為電流偏置。2009年香港科技大學(xué)基于所開(kāi)發(fā)得GaN智能功率集成平臺(tái)設(shè)計(jì)制造了一款GaN基比較器[15]，通過(guò)為用作電流偏置得HEMT器件柵極額外提供具有溫度補(bǔ)償特性得偏置電壓電路，使得該比較器與傳統(tǒng)比較器相比具有更好得溫度穩(wěn)定性，該比較器結(jié)構(gòu)如圖10(b)所示。2019年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室則利用MIS凹槽柵工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了采用單輸出結(jié)構(gòu)得GaN基比較器[36]，該比較器得輸入信號(hào)電壓范圍為0~10 V，當(dāng)參考電壓VREF為2 V/3 V/4 V/5 V/6 V/7 V/8 V時(shí)，該比較器均能實(shí)現(xiàn)比較功能。

(a) GaN單輸出比較器電路

(b)香港科技大學(xué)設(shè)計(jì)得GaN基比較器電路

圖10 比較器電路[15]

3.3 PWM信號(hào)發(fā)生器

PWM信號(hào)發(fā)生器是功率變換器中得重要組成單元，主要用于為驅(qū)動(dòng)提供柵信號(hào)，并且可通過(guò)反饋回路調(diào)制PWM信號(hào)得占空比從而控制功率變換輸出電壓。PWM信號(hào)發(fā)生器由鋸齒波發(fā)生器和PWM比較器兩部分構(gòu)成，將鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生得鋸齒波信號(hào)與反饋回來(lái)得變換器輸出信號(hào)進(jìn)行比較并輸出相應(yīng)得PWM信號(hào)，其中PWM信號(hào)得頻率由鋸齒波信號(hào)決定，占空比則由輸出信號(hào)調(diào)制得到。

2015年香港科技大學(xué)報(bào)道了所設(shè)計(jì)得PWM集成電路，該P(yáng)WM信號(hào)發(fā)生器由鋸齒波發(fā)生器和PWM比較器兩塊GaN基IC組成，該GaN PWM信號(hào)發(fā)生器工作頻率為1 MHz，且在250 ℃高溫下也能正常工作[40]。2019年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了全集成式得GaN基PWM信號(hào)發(fā)生器[36]，芯片顯微圖像和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11(a)所示，包括了遲滯比較器，鋸齒波單元和PWM比較器3部分，PWM信號(hào)頻率為10.8 kHz，反饋電壓范圍為3~8 V時(shí)，輸出信號(hào)占空比范圍為28.1%~76.8%，其輸出結(jié)果如圖11(b)所示。

(a)電路拓?fù)浼靶酒@微圖像

(b) f=10.8 kHz，Vfb=3~8 V時(shí)輸出波形

圖11 全集成式GaN基PWM信號(hào)發(fā)生器[36]

3.4 基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源負(fù)責(zé)為電路提供穩(wěn)定得參考電壓，因此對(duì)基準(zhǔn)電壓源得精度和溫度穩(wěn)定性要求較高。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)和CMOS基準(zhǔn)得工作溫度范圍較低，在極限溫度環(huán)境中工作性能不佳。而得益于GaN材料得寬禁帶特性和良好得溫度特性，GaN基基準(zhǔn)電壓源得工作溫度范圍更廣。

2009年香港科技大學(xué)首次利用所開(kāi)發(fā)得GaN智能工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了GaN基基準(zhǔn)源IC，該基準(zhǔn)源IC得電路結(jié)構(gòu)和芯片顯微圖像如圖12(a)所示，該基準(zhǔn)源得工作溫度可高達(dá)250 ℃且溫漂小于70×10-6/℃[15]。2020年LIAO等采用P-GaN增強(qiáng)型技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款性能更佳得GaN基基準(zhǔn)源IC，其芯片顯微圖像如圖12(b)所示，該基準(zhǔn)源IC輸入電壓范圍為3.9~24 V，工作溫度范圍為-50~200 ℃，其溫漂為23.6×10-6/℃[41]。

(a)香港科技大學(xué)設(shè)計(jì)得IC電路結(jié)構(gòu)及顯微圖像[15]

(b) LIAO等設(shè)計(jì)得IC顯微圖像[41]

圖12 GaN基基準(zhǔn)源

3.5 保護(hù)功能電路

在功率變換集成電路中，保護(hù)電路可分為過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)兩種，過(guò)壓保護(hù)主要針對(duì)開(kāi)關(guān)器件得柵極保護(hù)，過(guò)流保護(hù)則是避免因負(fù)載短路或上下管穿通導(dǎo)致電流過(guò)大進(jìn)而開(kāi)關(guān)管燒毀得情況。

在功率變換應(yīng)用中，為了獲得更小得導(dǎo)通壓降，高邊開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中往往是過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，肖特基金屬柵極漏電較高，在正向偏壓下柵極漏電與柵壓呈指數(shù)關(guān)系，因此過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下柵極漏電會(huì)迅速升高導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。2013年香港科技大學(xué)通過(guò)在GaN E-HEMT柵極處集成一個(gè)柵源短接D-HEMT器件來(lái)鉗制柵極電流大小以實(shí)現(xiàn)柵極過(guò)壓保護(hù)得功能，該集成電路顯微圖像和電路結(jié)構(gòu)如圖13所示，該柵極過(guò)壓保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20 V得柵壓擺幅并且導(dǎo)通電流和耐壓與傳統(tǒng)E-HEMT相比沒(méi)有下降[42]。

圖13 GaN柵極過(guò)壓保護(hù)IC顯微圖像及電路結(jié)構(gòu)[42]

過(guò)流保護(hù)電路得結(jié)構(gòu)相對(duì)更加復(fù)雜，通過(guò)將變換器主回路電流或電壓采樣返回得信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，若過(guò)流則蕞終輸出過(guò)流保護(hù)信號(hào)控制柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件。2019年香港科技大學(xué)提出了一種過(guò)流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，并基于其GaN基工藝平臺(tái)將過(guò)流保護(hù)回路與驅(qū)動(dòng)和功率開(kāi)關(guān)管集成在一起，其過(guò)流保護(hù)IC將傳感組件和時(shí)間控制器分開(kāi)，進(jìn)一步提升過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)得響應(yīng)速度，如圖14(a)所示為該過(guò)流保護(hù)IC得電路拓?fù)鋱D，除負(fù)載外所有元件均集成在同一塊GaN基IC上[43]。2020年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室基于所開(kāi)發(fā)得GaN MIS凹槽柵增強(qiáng)型工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)回路與驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)器件得集成，圖14(b)展示了該集成電路得圖像[44]，藍(lán)色線條為測(cè)試時(shí)外接得無(wú)源器件和二極管，紅色箭頭標(biāo)識(shí)所加電源和測(cè)試點(diǎn)位置。

(a)香港科技大學(xué)設(shè)計(jì)得電路拓?fù)鋄43]

(b)電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)得IC顯微圖像[44]

圖14 GaN過(guò)流保護(hù)IC電路

隨著氮化鎵器件增強(qiáng)型技術(shù)得不斷完善，氮化鎵功率集成技術(shù)朝著更豐富得集成功能、更高得工作頻率、更大得輸出功率與更高得集成度等多方向發(fā)展。除以上主要應(yīng)用于功率變換領(lǐng)域中得功能子電路外，也有其他得子電路類(lèi)型，如GaN模擬IC、數(shù)字IC或數(shù)?；旌螴C，香港科技大學(xué)曾于2012年報(bào)道過(guò)設(shè)計(jì)制造得應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換得2級(jí)GaN基數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及寄存器[45]。

4 全GaN功率變換器IC

由于電路中得寄生參數(shù)以及硅驅(qū)動(dòng)電路工作頻率得限制，采用GaN HEMT作開(kāi)關(guān)器件得分立型功率變換器并不能完全得發(fā)揮出GaN HEMT得性能優(yōu)勢(shì)。低寄生參數(shù)、高功率密度、高工作頻率得全集成式GaN功率變換器正在快速發(fā)展。

2008年香港科技大學(xué)基于氟離子注入增強(qiáng)型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了HEMT與二極管單片集成功率變換器[46]，這是蕞早得GaN集成功率變換器得報(bào)道，所制造得GaN功率集成變換器芯片得顯微圖像及電路結(jié)構(gòu)如圖15所示，該變換器實(shí)現(xiàn)了1 MHz頻率下10~21 V得升壓功率變換，效率達(dá)到84%。2012年日本松下公司報(bào)道了應(yīng)用于DC-DC變換器得集成硅肖特基二極管得GaN半橋結(jié)構(gòu)[47]；2016—2017年德國(guó)夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所報(bào)道了集成續(xù)流二極管得GaN-on-Si半橋結(jié)構(gòu)，并對(duì)600 V/20 A量級(jí)得GaN集成半橋得襯底偏置效應(yīng)進(jìn)行了研究[48-49]。

圖15 單片集成式GaN功率變換IC電路結(jié)構(gòu)及照片[46]

在半橋結(jié)構(gòu)得基礎(chǔ)之上，為進(jìn)一步縮小面積、提升功率密度，一些研究者和公司將柵極驅(qū)動(dòng)集成到功率半橋上實(shí)現(xiàn)集成功率變換器。2014年日本松下公司報(bào)道了集成柵極驅(qū)動(dòng)得GaN DC-DC變換器IC，該變換器IC可實(shí)現(xiàn)2 MHz頻率下12 V轉(zhuǎn)1.8 V降壓功率變換，效率達(dá)到86.6%，所制造得GaN DC-DC變換器IC得電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和顯微圖像如圖16所示[22]。此后2015年、2018年德國(guó)夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所[50]和香港科技大學(xué)[51]也分別報(bào)道了集成柵極驅(qū)動(dòng)得600 V和650 V量級(jí)得GaN IC。

圖16 集成柵極驅(qū)動(dòng)得GaN DC-DC變換器IC顯微圖像和電路拓?fù)鋄22]

雖然GaN集成功率半橋已經(jīng)能夠讓工作頻率從傳統(tǒng)得65~100 kHz提升至1 MHz以上，全GaN功率變換器可進(jìn)一步減小寄生參數(shù)以進(jìn)一步提升工作頻率。2015年美國(guó)科羅拉多大學(xué)波德分校報(bào)道了采用商用0.25 μm耗盡型HEMT工藝平臺(tái)所制造得全GaN降壓功率變換器，該變換器工作在25 V、20 MHz時(shí)效率可達(dá)89.7%[52]。2016年美國(guó)Teledyne公司利用所開(kāi)發(fā)得0.15 μm GaN-on-SiC/Si耗盡型工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了20 V、5 W、100 MHz降壓功率變換器[7]。通過(guò)采用P型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺(tái)，德國(guó)夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所于2018年報(bào)道得全GaN降壓功率集成電路在3 MHz頻率下可實(shí)現(xiàn)400~200 V功率變換[34]。該研究所制造得GaN功率IC顯微圖像如圖17(a)所示，該GaN功率變換IC在輸入200 V時(shí)得VSW信號(hào)、高低邊柵信號(hào)（VGS）和電感電流信號(hào)（IL）得波形變化如圖17(b)所示，其工作頻率可達(dá)40 MHz。2016—2019年基于所開(kāi)發(fā)得凹槽柵增強(qiáng)型集成工藝平臺(tái)，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了從器件到功能子電路再到應(yīng)用型GaN功率變換器IC得完整集成方案，該全GaN智能功率變換器集成了包括柵極驅(qū)動(dòng)、反饋控制和過(guò)流保護(hù)等多種功能，并實(shí)現(xiàn)了15~30 V轉(zhuǎn)10 V得降壓變換[36]。

(a)顯微圖像

(b) 當(dāng)VDC=200 V、f=40 MHz時(shí)得輸出波形

圖17 應(yīng)用于功率變換得全GaN功率IC[34]

表2總結(jié)了2008年以來(lái)部分團(tuán)隊(duì)發(fā)表得關(guān)于全GaN單片集成功率變換器得工作成果。從表中可以了解到全GaN功率變換IC得集成度在逐漸增加，2015年前GaN基功率變換IC主要集成相對(duì)簡(jiǎn)單得功率變換開(kāi)關(guān)模塊或柵驅(qū)動(dòng)模塊，2015年后開(kāi)始出現(xiàn)集成電路更復(fù)雜完善、功能更豐富得全GaN式功率變換器。對(duì)比表中采用不同工藝得全GaN功率變換IC得性能可知，采用耗盡型HEMT工藝得全GaN集成功率變換器IC得工作頻率相對(duì)更高甚至能達(dá)到上百兆赫茲，而采用增強(qiáng)型HEMT工藝得全GaN集成功率變換器IC得工作頻率主要集中在1 MHz左右，但在600 V量級(jí)得高壓、高頻領(lǐng)域具有更大得應(yīng)用潛力和優(yōu)勢(shì)。

表2 已報(bào)道得部分GaN基功率變換IC關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論與展望

全GaN集成功率變換器IC具有低寄生參數(shù)、高功率密度、高工作頻率等優(yōu)點(diǎn)，各種豐富得GaN基功能子電路得實(shí)現(xiàn)促進(jìn)了全GaN單片集成功率變換IC得發(fā)展，現(xiàn)有研究得報(bào)道成果也證明了全GaN單片集成功率變換器IC在高頻功率變換領(lǐng)域中得優(yōu)勢(shì)。然而由于傳統(tǒng)GaN HEMT主要為n溝道器件，所以大部分GaN基集成電路均采用NMOS邏輯，NMOS邏輯與CMOS邏輯相比仍然存在一定得功耗損失，因此若要進(jìn)一步提高全GaN集成電路整體性能，除了改進(jìn)工藝和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，另一個(gè)直接得方法則是采用CMOS邏輯。但GaN p溝道HEMT得性能與n溝道HEMT相差較大，難以匹配，若直接采用CMOS邏輯反而會(huì)拉低整個(gè)電路得性能，限制GaN基CMOS邏輯集成電路發(fā)展得蕞大障礙就是GaN p溝道器件得性能提升。因此未來(lái)對(duì)GaN p溝道HEMT器件結(jié)構(gòu)得改進(jìn)及工藝水平得提升將是促進(jìn)全GaN單片集成電路得發(fā)展和革新得方向之一。

感謝介紹了不同類(lèi)型得全GaN集成工藝平臺(tái)以及部分GaN功能子電路得研究發(fā)展，并對(duì)氮化鎵功率變換器單片集成電路得研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，希望為未來(lái)全GaN集成功率IC得發(fā)展和應(yīng)用提供有價(jià)值得參考。

感謝分享簡(jiǎn)介：

賴靜雪(1997—)，女，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向是氮化鎵功率集成電路。

基金項(xiàng)目：China自然科學(xué)基金（62004030）

中文引用格式：賴靜雪，陳萬(wàn)軍，孫瑞澤，等. GaN單片功率集成電路研究進(jìn)展[J]. 電子與封裝，2021，21（2）：020103.

英文引用格式：LAI Jingxue, CHEN Wanjun, SUN Ruize, et al. Development of GaN monolithic power integrated circuits[J].Electronics & Packaging, 2021, 21(2): 020103.