在最近的IEDM大會上,英特爾表示,已將 CMOS 硅晶體管與氮化鎵 (GaN) 功率晶體管集成,用于高度集成的48V設(shè)備。
具有集成驅(qū)動器的 GaN 器件由 Cambridge GaN Devices、EPC 和 Navitas 以及英飛凌領(lǐng)導(dǎo)的歐洲重大研究項(xiàng)目開發(fā)。
Components Research 芯片中尺度工藝開發(fā)總監(jiān) Paul Fisher 表示:“英特爾是唯一一家專注于 48V 及以下電壓下 GaN 效率利用的公司?!?/p>
“去年,我們展示了具有業(yè)界最佳品質(zhì)因數(shù)的 GaN 晶體管,增益比 LDMOS 或 e-mode GaN HEMT 等硅器件高出 20 倍。這對我們來說是一個真正的突破,我們正在通過在 300mm 硅片上使用 Gan 和 CMOS 的大規(guī)模 3D 單片工藝,更進(jìn)一步地邁出這一一步?!庇⑻貭柺紫こ處?Han Wui 說道。該論文將于本周在美國舉行的 IEDM 2023 會議上發(fā)表。
“不僅如此,我們還為第一個集成 CMOS 驅(qū)動器提供了 DR 驅(qū)動器 GaN,并在同一個芯片上單片集成了 GaN 電源開關(guān),”他說。
英特爾于 2004 年推出首款 DR MOS,并成為同時向 PC 和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動器和電源集成使用硅晶體管提供了具有低寄生效應(yīng)的高密度解決方案。
Wui 表示:“我們的工作表明,可以將硅 PMOS 晶體管與 GaN 晶體管結(jié)合起來,并具有高品質(zhì)因數(shù),以跟上功率密度的增長步伐?!?/p>
“GaN 器件對于 n 溝道來說是一種很棒的器件,但作為一種補(bǔ)充技術(shù),在使用空穴承載電流方面將面臨 p 模式的挑戰(zhàn),因?yàn)樗鼈兊倪w移率非常低,而這正是硅 p 溝道的用武之地,”他說。“我們的 DR GAN 具有一個GaN N 溝道和一個硅 p 溝道器件,具有高遷移率以及柵極氧化物和觸點(diǎn)?!?/p>
在 300 mm 硅片上堆疊 GaN 和硅晶體管
2020年時候,英特爾高管曾發(fā)文表示,向 5G 及更高技術(shù)的過渡預(yù)計將推動聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)級增長。為它們供電的集成電路需要以更小的外形尺寸提供更高的能效。因此,對功能更強(qiáng)大的晶體管以及在微芯片上集成越來越多的組件的需求很大。
滿足這些要求絕非易事,因?yàn)楫?dāng)今的晶體管技術(shù)都無法滿足與電力傳輸和射頻前端設(shè)計相關(guān)的多樣化需求。由于這個問題,電路設(shè)計人員正在組合許多不同的、獨(dú)立的芯片。這不太好,因?yàn)樗鼤?dǎo)致封裝體積龐大。
為了解決這個問題,英特爾位于俄勒岡州技術(shù)開發(fā)小組的英特爾組件研究部門的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第一個單片、三維 GaN 和硅晶體管堆疊技術(shù)。它提供一流的性能和效率,同時允許將多種功能集成在單個芯片上。
將硅和氮化鎵結(jié)合起來是一個有吸引力的提議。硅是當(dāng)今電力電子和射頻開關(guān)的主力,但它難以提供高頻、高功率性能,因此對于射頻功率放大來說它不是一個好的選擇(見圖 1)。對于該特定任務(wù),GaAs HBT、GaAs HEMT 和 GaN HEMT 是領(lǐng)先者。然而,這些技術(shù)并不是制造高效電力電子器件的理想選擇:耗盡型 GaAs HEMT 和 GaN HEMT 因其始終開啟的特性而不受青睞;GaAs HBT 不適合,它是電流驅(qū)動而不是場驅(qū)動。
幸運(yùn)的是,有一種在各方面都表現(xiàn)出色的晶體管:增強(qiáng)型(e 模式)GaN 晶體管。最近,我們已經(jīng)證明,當(dāng)此類器件配備高 K 介電金屬柵極技術(shù)時,它可以在功率傳輸和射頻前端功能方面提供一流的性能。在此成功的基礎(chǔ)上,我們使用三維單片集成將 GaN 功率和 RF 晶體管技術(shù)與 300 mm 硅基板上的硅 PMOS 結(jié)合起來。因此,所有功能都可以集成在單個芯片上,從而首次形成片上系統(tǒng)。
我們的努力取得的成功之一是在 300 mm 硅 晶圓上制造了第一批高性能 GaN 晶體管(見圖 2)。我們采用與領(lǐng)先 CMOS 晶圓廠兼容的 300 毫米工藝技術(shù)制造這些晶體管。
另一項(xiàng)成就是英特爾使用了基于層傳輸?shù)娜S單片集成新技術(shù)。通過這種方法,英特爾在 GaN NMOS 晶體管之上堆疊硅 PMOS 晶體管以實(shí)現(xiàn) CMOS 功能,從而開辟了新天地。這項(xiàng)新技術(shù)顯著擴(kuò)展了可在高效、微型片上系統(tǒng)中實(shí)施和集成的解決方案范圍。
使用英特爾領(lǐng)先的 CMOS 工廠之一在 300 mm 硅片上加工 GaN 晶體管可以獲得額外的回報——為所有最新工藝創(chuàng)新打開了大門。它們包括高κ技術(shù)、三維層轉(zhuǎn)移、化學(xué)機(jī)械拋光、光刻技術(shù)和銅互連。此外,我們還受益于更便宜的 300 mm 硅基板和大批量生產(chǎn)帶來的成本顯著降低。
由于缺乏原生襯底,幾乎所有的GaN都生長在異質(zhì)襯底上,例如藍(lán)寶石、SiC和硅。最流行的平臺是相對昂貴的3英寸和4英寸SiC,以及4英寸、6英寸和8英寸硅。相比之下,英特爾使用經(jīng)濟(jì)高效的 300 mm 硅 基板(見圖 3)。在此平臺上,英特爾將 GaN 與 300 mm 晶圓廠中最先進(jìn)的高 K 介電金屬柵極技術(shù)結(jié)合起來。這使得增強(qiáng)模式操作和柵極堆疊縮放成為可能,并最終實(shí)現(xiàn)高性能和低泄漏,這是提高效率的關(guān)鍵。請注意,泄漏的減少非常顯著——它比肖特基柵極 GaN HEMT 好超過四個數(shù)量級(見圖 4)。
增強(qiáng)型 GaN 晶體管技術(shù)的另一個優(yōu)點(diǎn)是它簡化了電路架構(gòu)。由于增強(qiáng)型晶體管是常關(guān)型的,因此不需要負(fù)電源。相反,該設(shè)備可以直接由電池驅(qū)動,從而節(jié)省了微芯片上寶貴的空間。
對 300 mm 硅片上的高 K 介電增強(qiáng)模式 GaN NMOS 晶體管進(jìn)行的測量顯示出出色的電氣特性以及一流的功率傳輸和射頻性能。該器件具有低漏極泄漏、高驅(qū)動漏極電流、低拐點(diǎn)電壓和低導(dǎo)通電阻。這些特性表明,高 K 電介質(zhì)技術(shù)使 GaN 晶體管能夠?qū)⒌吐╇娕c卓越性能結(jié)合起來,其功率傳輸性能比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅晶體管好約四倍(見圖 5)。
英特爾的設(shè)備還提供出色的射頻性能。這些高 K GaN NMOS 晶體管在 1 GHz 至 30 GHz 的寬頻率范圍內(nèi)的功率附加效率顯著優(yōu)于基于 GaAs 和硅/SOI 晶體管的晶體管(見圖 6)。由于具有出色的拐點(diǎn)電壓和導(dǎo)通電阻,可以在低至 1V 的漏極電壓下實(shí)現(xiàn)高效的功率放大器 (PA) 操作(見圖 7)。
該值遠(yuǎn)低于典型 GaAs HBT 的最小截止電源電壓,凸顯了高 K GaN NMOS 晶體管顯著延長電池壽命的潛力,同時使用包絡(luò)跟蹤 RF PA 架構(gòu)提供無與倫比的效率。高κ GaN NMOS 晶體管還可用作出色的射頻開關(guān)和低噪聲放大器。例如,它們的開關(guān)具有出色的品質(zhì)因數(shù),導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容的乘積僅為 110 fs。5 GHz 時的最小噪聲系數(shù)僅為 0.4 dB,28 GHz 時的最小噪聲系數(shù)僅為 1.36 dB(見圖 8)。
功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)和功率晶體管的出色性能相結(jié)合,使增強(qiáng)型高κ GaN NMOS 晶體管技術(shù)能夠提高射頻前端和功率傳輸?shù)男屎托阅芟到y(tǒng)超越了當(dāng)今 GaAs 和硅技術(shù)的能力。但這還不是全部——通過采用高κ GaN NMOS 晶體管技術(shù),英特爾在單個芯片上實(shí)現(xiàn)了多種功能的緊湊集成,從而節(jié)省了空間并實(shí)現(xiàn)了無與倫比的小外形尺寸。
當(dāng)今市場的一個賣點(diǎn)是 CMOS 模擬和數(shù)字邏輯/控制功能以及 CMOS 存儲器的緊密片上集成。這些類型的 CMOS 芯片目前是作為獨(dú)立單元構(gòu)建的,但隨著功能和復(fù)雜性的增加,將需要單片系統(tǒng)級芯片解決方案來提供更高的效率、更低的成本和更高的集成密度(見圖 9)。
然而,由于 GaN 的空穴遷移率較低,且難以實(shí)現(xiàn)高p 型摻雜在該材料中。好消息是,英特爾的團(tuán)隊(duì)與康奈爾大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究小組之間的合作取得進(jìn)展。這項(xiàng)工作希望實(shí)現(xiàn) GaN PMOS 寬帶隙、高電壓運(yùn)行的承諾。雖然這項(xiàng)工作還處于起步階段,但希望標(biāo)準(zhǔn)高 K 金屬柵極硅 PMOS 能夠介入,為 GaN NMOS 提供出色的互補(bǔ) p 溝道技術(shù),因?yàn)樗哂懈呖昭ㄟw移率并有可能實(shí)現(xiàn)非常高的源極-漏極接觸的摻雜。
為了將多種不同的半導(dǎo)體材料單片集成在單個硅基板上,英特爾轉(zhuǎn)向了層轉(zhuǎn)移技術(shù)。這使其能夠?qū)⒐?PMOS 晶體管單片堆疊在 GaN NMOS 晶體管之上。利用這種形式的三維單片集成有很多優(yōu)點(diǎn),因?yàn)樗试S單獨(dú)構(gòu)建和優(yōu)化每種組成的晶體管技術(shù),以提供最佳的性能和成本。
英特爾通過將標(biāo)準(zhǔn) 300 mm 晶體硅供體晶圓氧化物熔合到完整的 300 mm 硅基 GaN 晶圓來開始三維層轉(zhuǎn)移工藝。此后,英特爾移除體供體晶圓并制造硅 PMOS 晶體管(見圖 10)。通過將 finfet 對準(zhǔn)可提高空穴遷移率的方向來確保高性能硅 PMOS。這是通過將側(cè)壁上的晶體管溝道定向?yàn)樘囟ň婧洼d流方向來實(shí)現(xiàn)的(見圖 11)。
據(jù)英特爾所說,這樣的方法有很大的自由度。硅 PMOS 晶體管的設(shè)計和架構(gòu)可以獨(dú)立于底部 GaN 晶體管的選擇。例如,通過為硅 PMOS 選擇適當(dāng)?shù)臏系婪较蚝蜑?GaN NMOS 選擇適當(dāng)?shù)臏系篱L度,可以使兩個溝道的驅(qū)動電流和斷態(tài)泄漏相匹配(見圖 12)。
英特爾的 GaN NMOS 和硅 PMOS 晶體管的單片三維堆疊提供了一種強(qiáng)大的方法,可以在同一晶圓上集成兩種不同的一流半導(dǎo)體技術(shù),并提供最佳性能、更高的密度和更強(qiáng)大的功能。
這項(xiàng)技術(shù)具有巨大的前景,因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)具有改變游戲規(guī)則功能的全新產(chǎn)品類別。許多令人興奮的機(jī)遇擺在面前,包括高效、高性能射頻和電力傳輸與標(biāo)準(zhǔn)硅基處理器的全面集成。這種技術(shù)有潛力滿足 5G 及更高版本的下一代移動設(shè)備、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和通信網(wǎng)絡(luò)的需求。
由于其寬帶隙,與 GaAs 和硅相比,GaN 具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越的 Johnson 和 Baliga 品質(zhì)因數(shù)(見表 1)。這些優(yōu)點(diǎn)使 GaN 能夠在高頻和高功率下工作。
GaN 的另一個優(yōu)勢源于與該系列材料相關(guān)的自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)。因此,在GaN和相關(guān)三元合金界面處的GaN溝道中產(chǎn)生二維電子氣,而不需要雜質(zhì)摻雜。
由于電子有效質(zhì)量低且不存在雜質(zhì)散射,所得的 GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高載流子濃度和高電子遷移率。
GaN 的另一個優(yōu)點(diǎn)是,由于其寬帶隙,它的臨界擊穿場至少是 GaAs 和硅的十倍。這使得 GaN 晶體管可以縮小到更小的長度,從而獲得更高的性能。例如,對于由鋰離子電池提供的3.7V電源電壓,GaN晶體管可以更短、具有更低的電阻并提供更高的驅(qū)動電流。諸如此類的優(yōu)勢使 GaN 成為當(dāng)今生產(chǎn)中功率和射頻性能最佳的半導(dǎo)體技術(shù)。(來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察)
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