EPC 2152 -一个完全集成的GaN半桥IC

EPC 2152 -一个完全集成的GaN半桥IC

我们观察到将模拟电路集成到氮化镓GaN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)芯片上的趋势越来越明显。Navitas通过其“GaNFast”技术在更高电压(>100 V)下率先采用了这种方法。多个竞争对手已经采取了另一种集成功率级(IPS)方法。

Power integration、ST微电子、英飞凌和德州仪器都采用了这种方法，最近我们甚至看到Navitas的第三代“GaNFast”和“GaNSense”在我们的NV6134 GaN电源布局报告中使用了硅基IC，该报告在小米120 W USB-C充电器中发现。

采用GaN集成的两个主要原因是:

• 降低键合线的寄生电感，以最大限度地提高GaN器件的开关性能(GaN作为功率器件材料最吸引人的特性之一)
• 减少组件数量，从而减少产品占地面积和包装复杂性。

在集成功率级布置中，半桥电路至少需要三个独立的模具(高侧和低侧GaN功率HEMT加上Si IC驱动器加上相关的线键合和可能不同的模具连接)。更深入的可以在我们的最近关于GaN封装方法的博客．

的EPC2152产品来自高效电源转换(EPC)其芯片尺寸仅为3.8 mm x 2.6 mm x 0.6 mm，工作电压为80 V和12.5 a。相比之下，IPS设计的德州仪器LMG5200的封装尺寸为8.0 mm × 6.0 mm × 1.6 mm，工作电压相同(80v)，电流略低(10a)。

一个来自EPC的演示板(EPC9146)演示了用于低成本无刷直流电动机的400 W逆变器尺寸仅为81毫米x 75毫米，使用EPC2152的效率超过98.4%。

当然，这些优势需要与动力系统的灵活性进行平衡，即在驱动电路中更改组件的能力，以及设备鉴定过程和产品成品率的额外复杂性。

创新制造技术的组合

除了小的产品尺寸，我们还观察到整个GaN模具的其他几个创新。没有一个单独的产品是颠覆性的，但它们共同构成了一个令人印象深刻的独特产品。图1取自我们最近的电源要点总结显示了栅极和源/漏接触层的半桥GaN IC布局。

图2显示了HEMT阵列的总体概述。乍一看，与我们观察到的<= 100 V的类似GaN hemt相比，它们是典型的。使用两个金属层，P-GaN区域存在于栅极触点下方以提供增强模式(常关)操作，并使用源连接场板。对于高侧和低侧hemt，漏-漏间距是相同的，给出大约相似的特定通阻(R_DS(上)*A)每个HEMT。

当更仔细地观察HEMT阵列的平面图时，我们可以看到其中一个创新功能。图3显示了一个交错的氮化镓蚀刻浅-深-穿过氮化镓，以创建与底层Si衬底的接触，这些存在于整个模具中，在高侧和低侧HEMT阵列以及驱动器/逻辑电路中。在高侧HEMT周围的区域也使用了贯穿gan蚀刻，以创建隔离沟槽，并在模具边缘作为裂纹止裂。这种衬底接触是GaN器件中一个相对较新的创新，尽管我们在我们的实验中也观察到它电源要点报告德州仪器LMG5200。

进一步创新-驱动电路和门堆栈

在模拟电路区域，我们观察到更小的HEMT结构，电阻和MIM电容器都使用与HEMT本身相同的工艺流程。这些器件为GaN hemt提供了栅极驱动以及检测和保护等附加功能。

最后，在图5所示的栅极叠加TEM图像中，我们可以看到在栅极接触点下方的p型区域中还有额外的薄AlGaN和GaN层。这些可能与提高器件可靠性和抑制栅漏电流有关。

总结

高侧和低侧GaN hemt都有R_DS(上)*A ~0.3 mΩ.cm²与德州仪器LMG5200 IPS相比，它们更有利。本产品中高侧和低侧GaN hemt均含有R_DS(上)*A ~0.5 mΩ.cm²．

当与市场上等效的离散100v GaN hemt相比，该IC上的GaN hemt也具有竞争力，例如，我们测量GaN Systems GS61008P为~0.8 mΩ.cm²而EPC的EPC2218器件为~0.2 mΩ.cm²．这种令人印象深刻的状态性能，再加上集成提供的增强开关，使该产品对那些寻找特定应用(转换器，电机驱动器和D类音频放大)的现成设备的人具有吸引力。

我们最近从EPC分析的另一个GaN IC是GaN功率平面图报告中的EPC21601 ToF激光驱动器IC。这也表明了GaN可以吸引的应用的多样性，并重申在功率半导体器件中没有“一刀切”的方法。这种低压应用实际上是碳化硅(SiC)无法实现的，相反，在更高的电压下，有相反的应用。