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(987年专利)由M.A. Khan, J.M. VanHove, J.N. Kuznia和D.T. Olson在明尼苏达州明尼阿波利斯的APA光学公司。这是一项仪器(或机器)专利。专利名称为“带GaN/Alx Ga1-x N异质结的高电子迁移率晶体管”,发明摘要总结如下:

一种高电子迁移率晶体管中公开,其利用了流动性增加,由于在GaN中/ ALX GA1-×N个异质结产生的二维电子气。这些结构使用低压有机金属化学气相沉积沉积在基面蓝宝石。异质结的电子迁移率是每伏特大约620平方厘米第二在室温下相比,每伏第二56平方厘米在180℃K。和降低每伏特第二19平方厘米在77℃K的移动性的异质结构,然而,增加每伏特第二1600平方厘米的值在77°K。和饱和在4℃K.

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。

在这个短的文章我们计划审查的GaN HEMT发明中,作为在精液APA Optics的987装置专利中所述,然后将其与当前的商业的GaN HEMT技术进行比较。该信息最初是为演讲准备在亚太经合组织2020年的TechInsights研讨会

该“987 APA光学氮化镓专利的权利要求1描述的本发明的基本概念,这些概念一般适用于目前市售的GaN HEMT功率器件。我们已经强调了专利的主要权利要求要素。

一种晶体管,包括:

  • 基板;
  • 一个缓冲区中,缓冲器被沉积在基板上;
  • 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;
    • 排水管连接中,漏极连接驻留在所述第二有源区;
从而允许将电势差应用于第二有源区域,从而允许晶体管操作

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

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技术洞察网络研讨会。

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。

接触和栅区的更详细的横截面TEM显微照片在图4中的欧姆金属接触0层呈现用于使源极/漏极到2DEG即位于在第二有源层在AlGaN之间的界面和电连接GaN的第一有源层。该设备将常开特征操作,由于氮化硅栅极电介质的TiN栅极材料和AlGaN之间的存在。电介质没有明确地在“987专利中描述的门的存在,而该专利描述了使用肖特基栅极触点。肖特基栅极不典型地用于电力电子应用,但它们一般都使用高频RF的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示出了平面图,并在低HV6L002侧模具的模拟区域的晶体管的横截面SEM显微照片中发现的NV6252内部。该“987专利的权利要求的关键元件已被映射到这些图像。晶体管的栅极区的检查显示的台面结构的存在下,栅接触下方。这个台面P型GaN构成并形成所述晶体管的栅极实际。在P型GaN组成在这个台面导致在2DEG的载流子的耗尽的存在,从而引起常关(增强模式)操作。这个概念是不是在原来的APA光学专利的预期,但是是优选的电力电子应用。

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。

Navitas NV6252集成GaN半桥

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

氮化镓基电力电子是半导体技术的快速新兴领域。TechInsights的是观察氮化镓上的Si和也氮化镓上的SiC功率晶体管在越来越多的商业产品。我们的研究结果表明,1991年开创性的“987 GaN HEMT的专利,现在被广泛使用。在“978专利的概念,但是,现在在公共领域。There has been considerable innovation since 1991, including the use of much more sophisticated GaN-based epitaxy, the use of Si and SiC substrates, instead of the sapphire (AlO) substrate described in the ‘987 patent abstract, the engineering of normally-off operation, and more recently the Panasonics hybrid gate injection (HD-GIT) technology. TechInsights continues to monitor this market and reports on key innovation as part of our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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