Imec FutureSummit 2019 Imec ermöglicht eine echte GaN-IC-Technologie

Das Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, Imec, hat eine funktionale GaN-Halbbrücke demonstriert, die monolithisch mit Treibern integriert ist.

Auf einer Buck-Converter-Testplatine montiert, wandelt der Chip eine Eingangsspannung von 48 V in eine Ausgangsspannung von 1 V mit einem Pulsweitenmodulationssignal von 1 MHz. Die Leistung nutzt die imec-Technologieplattformen GaN-on-SOI und GaN-on-QST, reduziert die parasitäre Induktivität und erhöht die Kommutierungsgeschwindigkeit.
Heute wird die GaN-Leistungselektronik von handelsüblichen diskreten Bauelementen dominiert. Halbbrücken - gemeinsame Subschaltungen in Stromversorgungssystemen - werden aus separaten diskreten Komponenten hergestellt, entweder in separaten Gehäusen oder in einem Gehäuse integriert, insbesondere für die höheren Spannungsbereiche. Die Realisierung von Halbbrücken auf dem Chip mittels GaN-on-Si-Technologie ist eine große Herausforderung, insbesondere bei hohen Spannungen. Denn Halbbrücken, die auf GaN-on-Si-Technologie basieren, werden in ihrer Leistung durch einen Backgate-Effekt eingeschränkt, der sich negativ auf den High-Side-Schalter der Halbbrücke auswirkt, sowie durch Schaltrauschen, das die Regelkreise stört.
Um das volle Potenzial der GaN-Leistungstechnologie auszuschöpfen, hat imec monolithisch eine Halbbrücke und Treiber in einem GaN-IC-Chip integriert. Ergänzt durch Niederspannungs-Logiktransistoren, eine Reihe passiver Komponenten für niederohmige und hochohmige Widerstände und einen MIM-Kondensator können High-End-Integrierte Stromversorgungssysteme auf einem einzigen Chip realisiert werden.
Die Lösung von Imec basiert auf den Technologieplattformen GaN-on-SOI und GaN-on-QST von imec, die eine galvanische Trennung der Leistungsgeräte, Treiber und Steuerungslogik ermöglichen. Dieses Isolationsschema eliminiert nicht nur den schädlichen Back-Gate-Effekt, der sich negativ auf den High-Side-Schalter der Halbbrücke auswirkt, sondern reduziert auch das Schaltrauschen, das die Regelkreise stört. Mit dem Design eines co-integrierten Pegelschiebers zur Ansteuerung des High-Side-Schalters, einer Totzeitsteuerung zur Vermeidung überlappender Gate-Eingangswellenformen und einer On-Chip-Pulsweitenmodulationsschaltung können hochintegrierte Buck- und Boost-Wandler hergestellt werden.
Man könnte meinen, dass die Verwendung von SOI- oder QST-Wafern anstelle von Si-Wafern zu einer teureren Technologie führt. Bei GaN-on-Si müssen jedoch mehrere diskrete Bauelemente einzeln verpackt (mit erweiterten Gehäusen, um die schnelle Schaltleistung von GaN zu erhöhen) und mit ihren Treibern und anderen Elementen auf der Platinen- oder Gehäuse-Ebene verbunden werden. Stattdessen ist bei der imec GaN-IC-Technologie der Vollkonverter inklusive Treiber und Analogblöcke etc. on-chip, der dann mit einfacher Gehäusetechnik verpackt werden kann (da die frequenzempfindlichen Komponenten bereits on-chip verbunden sind). Dies spart drastisch die Kosten für das endgültige Stromversorgungssystem.
Um die Leistung dieser monolithisch integrierten Stromversorgungssysteme weiter zu steigern, strebt imec an, seine Plattform um zusätzliche kointegrierte Komponenten wie Schottky-Dioden und Depletion-Mode HEMTs zu erweitern.