寬禁帶半導體已列入國家重大戰略,面向國家重大戰略需求，將“寬禁帶半導體優于硅的性能優勢 ”與“硅基CMOS技術”互補，為解決我國集成電路“痛中之痛”關鍵核心技術問題提供途徑。

 

Si基GaN外延技術是實現大面積、低成本GaN外延片的主要技術，相對于GaN-on-Si而言，GaN-on-SOI技術在材料、集成與成本方面均具有顯著優勢。

 

9月13-14日，“2021中國（南京）功率與射頻半導體技術市場應用峰會（CASICON 2021）”在南京召開。本屆峰會由半導體產業網、第三代半導體產業主辦，并得到了南京大學、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟的指導。

 

會上，中國科學院上海微系統與信息技術研究所鄭理博士帶來了“SOI基GaN材料及功率器件集成技術”的精彩報告，結合國內外研究現狀報告從材料優勢、集成優勢、成本優勢等角度分享了微系統所最新研究成果。

 

材料優勢方面，GaN-on-Si非絕緣Si襯底導致漏電通道的存在，造成器件間的物理絕緣很難實現；再者，Si的電場擊穿強度較低（0.3 MV/cm），GaN-on-Si器件在高壓下易發生垂直方向的電學擊穿。若采用GaN-on-SOI技術，SOI BOX層的介質隔離可完全避免Si襯底漏電通道產生，且可抑制高壓下垂直方向的電學擊穿。另外，SOI襯底外延GaN過程中，薄膜SOI材料通過頂層硅與外延層的界面滑移，將一部分晶格失配應力通過界面滑移釋放，從而降低殘留應變和GaN外延層的缺陷密度。

 

集成優勢方面，電源轉換系統中功率轉換拓撲結構通常是半橋和全橋結構，高低邊的GaN功率器件和其驅動電路仍通過PCB板級布線連接，寄生電感高、且PCB面積大。為降低寄生電感，減小PCB板面積，提高系統高頻性能，將驅動芯片和半橋或全橋開關集成是高頻電源轉換器的發展趨勢。單芯片集成GaN開關器件，即在同一芯片上同時集成高、低邊器件，不僅可以降低寄生電感、減小芯片面積、還可以提高半橋或全橋的性能。

 

現有的GaN-on-Si功率集成是由分立元件構成。通過使用GaN-on-Si技術在芯片上實現半橋（尤其在高壓下）是極具挑戰的，不僅在性能上受到背底效應的限制，導致電流降低，器件間串擾還會負面影響到半橋高側的開關及干擾控制電路的開關噪聲等。若采用GaN-on-SOI技術實現功率器件、驅動器和控制邏輯的電流隔離，可完全避免上述的負面效應。若更進一步，通過設計用于驅動高邊開關的共同集成電壓轉換器，避免（重疊柵極輸入波形的）死區時間控制器以及（片上脈沖寬度）調制電路，可以制造高度集成的降壓和升壓轉換器。

 

成本優勢方面，部分學者認為使用SOI代替Si晶圓將導致更昂貴的成本。然而GaN-on-Si需要單獨封裝幾個分立器件，且需使用先進的封裝以避免影響GaN快速開關性能，并將其連接到驅動器及PCB板上。相反，若采用GaN-on-SOI技術，包括驅動器和模擬模塊等在內的完整轉換器可片上集成，且可采用簡單的封裝技術封裝（因為頻率敏感元件已經在芯片上連接），這大大節省了最終電力系統的成本。