再次访问开创性的APA光学GaN HEMT专利

发布日期:2020年6月5日
供稿人:Sinjin迪克森沃伦博士

电力电子行业正处于一个过渡时期。多年硅基器件已经占据了行业,与传统的硅MOSFET晶体管被用于较低功率和中间频率,以用于较高频率和较高的电压,和IGBT器件超结(SJ)MOSFET器件被用于高功率和较低的频率。常规的Si MOSFET和MOSFET SJ在消费者应用中,例如移动AC适配器,通常发现,当IGBT在工业,混合动力和电动车辆(EV)应用中,太阳能发电的应用,和在大的电源使用。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是较新的宽带隙(WBG)技术,在过去十年出现在市场上,旨在取代这些硅技术。碳化硅具有较高的温度、较高的功率、较高的频率和较低的损耗,有望取代IGBT技术。氮化镓主要取代了SJ MOSFET技术,也因为它的能力在更高的频率和更低的损失。GaN、SiC和SJ MOSFET技术直接竞争650v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装置的发明通常被认为是由1979年在日本富士通工作的物理学家Mimura Takashi发明的。HEMT器件最初的基础是砷化镓。在砷化镓衬底表面形成一薄层砷化镓,导致在砷化镓/砷化镓界面形成一二维电子气体层(2DEG)。2DEG电导率的调制构成了HEMT器件的基础。Takashi Mimura在1979年为这项发明申请了专利,JPS5953714B2(另见CA1145482A)

氮化镓的物理特性意味着基于藻/氮化镓界面的氮化镓HEMTS具有较低的通态电阻,这是由于较高的迁移率,以及较宽的带隙导致的低开关损耗,与Si功率晶体管相比。该技术可应用于电压转换器中的电源开关晶体管。不幸的是,氮化镓材料的特性给氮化镓器件的商业化带来了挑战。商业化的GaN HEMT电力电子技术是近十年来才出现在公开市场上的。

GaN HEMTs在1991年首次获得专利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光学还申请了第二方法(或处理)专利US5296395A,其描述的GaN HEMT器件的制造。APA光学继续存在。2004年公司更名为APA的企业,并在2008年他们被重新命名为克利尔公司公司目前生产的光纤组件在明尼阿波利斯的公司办公室,并在墨西哥提华纳的第二家工厂。然后,这两个专利被重新分配至国际整流器公司,英飞凌现在的一部分。现在这两个开创性的GaN专利已经过期,因此提出的概念是免费的,任何人使用。

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的网络研讨会

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;
  • 缓冲区,所述缓冲液沉积在基板上;
  • 第一激活层,所述第一活性层主要由GaN构成,所述第一活性层沉积在所述缓冲区上;
  • 第二有源层中,第二活性层基本上由ALX GA1-X N,其中x大于0且小于1;和
  • 多个电气连接,位于第二有源层上的电气连接,多个电气连接包括:
    • 源极连接,驻留在第二活动区域上的源连接;
    • 栅极连接中,栅极连接驻留在所述第二有源区;
    • 漏连接,位于第二有源区域上的漏极连接;
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显示了从“987 APA光学GaN HEMT的专利,其举例说明本发明的基本概念的图像。关键权利要求要素,以上的下划线部分,被映射到在图中的图。本发明包括在衬底上形成基于GaN的异质结构。甲2DEG形成在的GaN第一有源层和薄的AlGaN第二有源层之间的接口。源极,漏极和栅极连接在所述的AlGaN形成的第二有源层,从而形成一个HEMT器件结构。典型地,晶体管将表现为常开(耗尽型)器件,这是当栅极不偏上。

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 ourAPEC 2020演示和TechInsights的研讨会。

国际整流器公司是第一个上市的GaN-on-Si电源设备,IP2010PBF基于gan的电源台,在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包括一个与ASIC共包装的GaN-on-Si HEMT。GaN-on-Si模具有两个单独的功率晶体管块,它们以高侧/低侧桥接配置连接。

图3显示了IP2010PBF上GaN HEMT的Si晶粒的一般结构的截面TEM显微照片。该“987专利的权利要求的关键元件已被映射到该图像。电测量还对该模具进行的,确认其为晶体管操作时,所要求的“987专利。

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。

整流器采用国际IP2010PBF gani型功率级

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国际整流器IP2010PBF通用器件结构 - TEM

国际整流器IP2010PBF通用器件结构 -  TEM细节

图4国际整流器IP2010PBF通用器件结构 - TEM细节

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,从该装置数据表中,示出的X射线图像的下方。

所述HV6H002高侧模具的照片,deprocessed到晶体管栅极电平,被呈现在图6中的功率晶体管块被在模具的右下角观察到的,而周围的上方和左侧的模拟电路涡卷的一个块的模具。大功率晶体管确认的存在,所述装置操作为晶体管,所要求的“987专利。

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示出了在GaN基外延使用截面SEM和TEM显微照片,以形成两个NV6252模具。基于GaN的外延的十层被使用,其中包括两个超晶格结构。在“987号专利的关键因素继续得到支持,尽管增加了复杂性。

纳维NV6252集成氮化镓半桥式

图5 Navitas NV6252集成GaN半桥

纳维HV6H002高侧口布局

图6纳维HV6H002高侧口布局

纳维HV6L002低端模具模拟电路

图7 Navitas HV6L002低侧模模拟电路

纳维HV6H002高侧口GaN外延结构

图8 Navitas HV6H002高侧模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认购程序。

下面点播的网络研讨会提供了本文中涉及的议题进一步讨论

保持最新从TechInsights的最新新闻和更新