Posted: June 05, 2020
供稿人：Sinjin Dixon Warren博士
电力电子行业正处于转型期。多年来，硅基器件一直占据行业主导地位，传统的硅MOSFET晶体管用于低功率和中频，超结（SJ）MOSFET器件用于更高频率和更高电压，IGBT器件用于高功率和更低频率。传统的Si-MOSFET和SJ-MOSFET通常用于消费类应用，例如移动交流适配器，而IGBT则用于工业、混合动力和电动汽车（EV）应用、太阳能应用以及大型电源。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是近十年来出现在市场上的新型宽带隙（WBG）技术，旨在取代这些硅技术。碳化硅具有在更高温度、更高功率、更高频率和更低损耗下工作的能力，有望取代IGBT技术。氮化镓主要取代了SJ MOSFET技术，这也是因为它能够以更低的损耗在更高的频率下工作。GaN、SiC和SJ MOSFET技术直接争夺650 V插座的胜利，目前尚不清楚哪种技术最终将在这一中间电压水平上主导市场。
基于GaN-on-Si的高电子迁移率晶体管（HEMT）是GaN电力电子领域最有前途的新兴技术。它们是一年一度的电力系统与设备国际研讨会（ISPSD）和应用电力电子会议（APEC）的常规议题。
HEMT装置的发明通常归功于1979年在日本富士通工作的物理学家三村隆史。HEMT器件最初的基础是GaAs。在GaAs衬底表面形成一薄层AlGaAs，在AlGaAs/GaAs界面形成二维电子气（2DEG）层。调制2DEG的电导率是HEMT器件的基础。Takashi Mimura于1979年申请了该发明的专利，即JPS5953714B2（另见CA1145482A)
氮化镓的物理性质意味着that GaN HEMTS, which are based on an AlGaN/GaN interface, should feature low on-state resistance, due to the high mobility, and low switching losses, due to the wide bandgap, as compared to Si power transistors. The technology has application for power switching transistors in voltage converter applications. Unfortunately, GaN materials properties have made the commercialization of GaN devices challenging. It is only in the past decade that commercial GaN HEMT power electronics technology has appeared on the open market.
GaN-HEMTs于1991年首次获得专利US5192987A（987年专利）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。本专利名为“GaN/Alx Ga1-x N异质结高电子迁移率晶体管”，摘要将本发明概括如下：
A high electron mobility transistor is disclosed, which takes advantage of the increased mobility due to a two dimensional electron gas occurring in GaN/Alx Ga1-x N heterojunctions. These structures are deposited on basal plane sapphire using low pressure metalorganic chemical vapor deposition. The electron mobility of the heterojunction is approximately 620 cm2 per volt second at room temperature as compared to 56 cm2 per volt second at 180° K. and decreased to 19 cm2 per volt second at 77° K. The mobility for the heterostructure, however, increased to a value of 1,600 cm2 per volt second at 77° K. and saturated at 4° K.
APA光学公司还申请了第二项方法（或工艺）专利，5296395A美元描述了GaN-HEMT器件的制作。APA光学继续存在。2004年，该公司更名为APA Enterprises，2008年更名为Clearfield Inc。该公司目前在明尼阿波利斯的公司办事处和墨西哥蒂华纳的第二家工厂生产光纤组件。这两项专利随后被重新分配给国际整流器公司，后者现在是英飞凌的一部分。这两项开创性的GaN专利现在已经过期，因此提出的概念是免费的，任何人都可以使用。
In this short article we plan to review the GaN HEMT invention, as described in the seminal APA Optics ‘987 apparatus patent, and then compare it with current commercial GaN HEMT technology. This information was originally prepared for presentation at APEC 2020 and for aTechInsights网络研讨会.
987年APA Optics GaN专利的权利要求1描述了本发明的基本概念，这些概念通常适用于当前市售的GaN-HEMT功率器件。我们已经强调了该专利的关键权利要求要素。
A transistor, comprising:
- a substrate;
- 缓冲器，所述缓冲液沉积在所述衬底上；
- 第一活跃层，所述第一活性层基本上由GaN构成，所述第一活性层沉积在所述缓冲器上；
- 第二活跃层，第二活性层基本上由Alx Ga1-x N组成，其中x大于0且小于1；和
- 多个电连接，所述电连接位于所述第二有源层上，所述多个电连接包括：
- 源连接，源连接驻留在第二活动区域上；
- 门连接，位于第二有源区上的栅极连接；
- 排水管接头,the drain connection residing on the second active region;
图1显示了987年APA光学GaN HEMT专利的图像，该图像说明了本发明的基本概念。上面加下划线的关键索赔要素映射到图中的图表上。本发明包括形成在衬底上的GaN基异质结构。在GaN第一有源层和薄AlGaN第二有源层之间的界面处形成2DEG。源极、漏极和栅极连接形成在AlGaN第二有源层上，从而形成HEMT器件结构。通常情况下，晶体管会表现为常开（耗尽模式）器件，当栅极不偏置时，该器件处于开启状态。
图1 US5192987A图6
通过逆向工程和专raybet正规么利分析，我们已经能够在多个最新的GaN电力电子产品中观察到APA光学专利987的关键权利要求要素，例如，来自国际整流器、GaN系统、纳维、英飞凌、松下、高效功率转换、ONSemiconductor、，Transphorm和Texas Instruments。我们将在这里回顾两个选定的示例。在我们的文章中给出了进一步的例子亚太经合组织2020演示和TechInsights网络研讨会。
国际整流器公司于2010年2月发布了第一款上市的GaN-on-Si功率器件IP2010PBF-GaN基功率级。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包含一个GaN-on-Si HEMT，与ASIC共同封装。GaN-on-Si芯片具有两个独立的功率晶体管块，它们以高侧/低侧电桥配置布线。
图3显示了硅HEMT晶片上IP2010PBF GaN一般结构的横截面TEM显微照片。987年专利的关键权利要求元素已经映射到这张图片上。电测量也在这个模具上进行，确认它作为一个晶体管工作，如'987专利所要求的。
图4给出了接触区和栅极区更详细的横截面TEM显微照片。欧姆金属0接触层用于将源极/漏极电连接到位于AlGaN第二有源层和GaN第一有源层之间的界面处的2DEG。由于TiN栅极材料和AlGaN之间存在氮化硅栅极电介质，该器件将以正常工作为特征。987年专利中并未明确描述栅极电介质的存在，而是描述了肖特基栅极触点的使用。肖特基门通常不用于电力电子应用，但它们通常用于高频射频GaN-HEMT器件。
图2国际整流器IP2010PBF GaN基功率级
图3国际整流器IP2010PBF通用器件结构-TEM
图4国际整流器IP2010PBF通用设备结构-TEM详图
纳维半导体是一家总部位于美国的单片集成（GaNFastTM）GaN-on-Si功率集成电路制造商。他们的总部设在加利福尼亚州的埃尔塞贡多。在2018年的亚太经合组织会议上，纳维教育宣布推出NV6252 650 V集成GaN半桥，专为有源箝位反激应用而设计。TechInsights最近在Aukey PA-U50 USB墙壁充电器中发现了NV6252设备。
图5显示了从Aukey PA-U50中提取的主PCB的照片。图5还显示了NV6252设备的平面图X射线图像。在X光片中可以看到两个模具，模具标记为NV6H002和HV6L002，分别对应于半桥的高压侧和低压侧晶体管。设备的框图，来自设备datasheet，显示在X射线图像下方。
HV6H002高压侧管芯的照片，被处理为晶体管栅极级，如图6所示。在芯片的右下角观察到一个功率晶体管块，而在芯片的左上角有一个模拟电路块。大功率晶体管的出现证实了该器件按照987年专利的要求像晶体管一样工作。
图7显示了NV6252内部HV6L002低压侧管芯模拟区域中晶体管的平面图和横截面SEM显微照片。987年专利的关键权利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触之下存在台面结构。这个台面由P型GaN构成，它构成了晶体管的实际栅极。该台面中P型GaN的存在导致2DEG中载流子的耗尽，从而引起常关（增强模式）操作。这一概念在最初的APA光学专利中并没有预料到，但在电力电子应用中更受欢迎。
最后，图8显示了用于形成两个NV6252芯片的GaN基外延的横截面SEM和TEM显微照片。采用了十层GaN基外延层，包括两层超晶格结构。987年专利的关键要素继续得到支持，尽管还有额外的复杂性。
图5纳维NV6252一体化甘半桥
图6纳维HV6H002高压侧模具布局
图7纳维HV6L002低压侧模模拟电路
图8纳维HV6H002高侧模GaN外延结构
Gallium nitride-based power electronics is a rapidly emerging area of semiconductor technology. TechInsights is observing GaN-on-Si and also GaN-on-SiC power transistors in an increasing number of commercial products. Our results show that the seminal 1991 ‘987 GaN HEMT patent is now widely used. The concepts in the ‘978 patent, however, are now in the public domain. 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电力半导体订阅程序。
