Мощные нитрид-галлиевые транзисторы (GaN) от EPC – конец эры кремния?

27 августа 2015

До недавнего времени преимущества силовых транзисторов на нитриде галлия перед кремниевыми было невозможно реализовать на практике из-за того, что в обычных условиях они являются нормально-открытыми. Благодаря разработанной компанией EPC технологии производства нитрид-галлиевой ячейки стало возможным наладить выпуск нормально-закрытых изделий. Перспективные приложения для eGaN®FET – DC/DC-преобразователи для различных приложений, усилители мощности класса D, инверторы, системы беспроводной передачи мощности, лидары, системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), системы с повышенной температурной и радиационной стойкостью.

Рынок силовых компонентов является чрезвычайно насыщенным и отличается жесточайшей конкуренцией. Новая компания может выйти на него только при наличии революционных идей. И такая прорывная идея есть у Efficient Power Conversion (EPC). За семь лет работы компания EPC смогла решить сложнейшие технологические проблемы и наладить серийный выпуск GaN-транзисторов с улучшенной структурой – eGaN® FET, которые уже теснят стандартные силовые кремниевые MOSFET в целом ряде приложений.

Рынок силовых полупроводников является растущим сегментом электроники [1]. По оценкам экспертов, в 2012 году его объем превысил 12 миллиардов долларов (рисунок 1).

Рис. 1. Структура рынка силовых полупроводниковых элементов

В настоящий момент подавляющая часть рынка остается за кремниевыми полупроводниками. Однако за последние несколько лет началось резкое увеличение доли силовых элементов, построенных на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC). Прогнозируемый объем продаж GaN- и SiC-транзисторов к 2016 году составит $500 млн. Это стало возможным за счет появления молодых, агрессивных производителей, которые сумели в сверхкороткие сроки не только разработать необходимые технологии, но и начать серийное производство данных компонентов.

Ярким примером такой компании является Efficient Power Conversion (EPC) [2]. Компания была основана одним из создателей первого MOSFET-транзистора Алексом Лидовым, который долгое время работал в International Rectifier (IR). В 2007 году он ушел с поста исполнительного директора IR и совместно с тайваньским бизнесменом Арчи Хваном (Archie Hwang) организовал EPC. При этом для ведения научных исследований были наняты специалисты, занимавшиеся разработками GaN-транзисторов в International Rectifier. Компания за несколько лет сумела решить все технические проблемы и создать уникальную структуру транзисторов eGaN® FET. Это позволило EPC стать лидером данного сегмента рынка.

Сейчас EPC обладает широкой номенклатурой продуктов, которая включает:

• около сорока дискретных eGaN FET;
• шесть интегральных сборок полумостовых схем eGaN FET;
• два законченных силовых модуля DrGaNPLUS;
• более 40 отладочных наборов;
• более десяти демонстрационных наборов.

При разговоре о GaN-транзисторах у большинства разработчиков может возникнуть множество вопросов. В чем причина выбора именно GaN? Почему столь бурное развитие началось только сейчас? Каковы характеристики полученных серийных образцов? Где находятся области их применения? Имеет ли данная технология перспективы развития?

В данной статье даются ответы на перечисленные вопросы, проводится обзор номенклатуры eGaN FET-компонентов и средств разработки производства компании EPC.

GaN – новое или хорошо забытое старое?

Победное шествие силовых кремниевых полупроводников длится уже более трех десятилетий – с момента появления в конце 70-х силового MOSFET. Долгое время кремний не имел конкурентов, так как другие известные полупроводники (германий и селен) значительно уступали ему практически по всем важным показателям. Позже полупроводниковые свойства были открыты и у новых материалов – арсенида и нитрида галлия, карбида кремния, и тому подобных.

Впрочем, нужно отметить, что, например, GaN не является таким уж «новым». Впервые его особые свойства были обнаружены еще в 1975 году Т. Мимурой, а их подробное исследование было выполнено в 1994 году М. Канном.

Эти исследования показали, что GaN – гораздо более перспективный материал, чем кремний (таблица 1) [3].

Таблица 1. Характеристики некоторых полупроводниковых материалов

Высокая критическая напряженность поля у GaN дает потенциальную возможность реализовывать более высоковольтные приборы. Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает высочайшую стабильность свойств при изменении температуры или воздействии радиации, что чрезвычайно важно в первую очередь для космической и военной электроники, а также для устройств, работающих в жестких условиях.

Высокая подвижность электронов и дрейфовая скорость определяют значительно меньшее сопротивление в проводящем состоянии и высокую удельную мощность, по сравнению с Si.

Весьма показательным является анализ зависимости удельного сопротивления от напряжения пробоя для различных полупроводников (рисунок 2) [4]. Для каждого из них эта характеристика практически линейная. Однако при одном и том же значении напряжения сопротивление GaN оказывается значительно ниже.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления от напряжения пробоя для различных полупроводников

В результате GaN-транзисторы имеют на порядок большую удельную мощность, что должно приводить к значительному уменьшению габаритов по сравнению с традиционными кремниевыми элементами, и в лабораторных опытах это было убедительно доказано.

К сожалению, между лабораторными опытами и серийным промышленным производством очень часто лежит непреодолимая пропасть. В случае использования GaN наряду с преимуществами было огромное число недостатков и проблем как технологического, так и коммерческого характера.

Базовая структура GaN-транзистора: простота и сложность в одном флаконе

Рассмотрим самую простую традиционную ячейку GaN-транзистора (рисунок 3а) [4]. На кремниевой подложке выращивается защитный слой AlN. На нем формируется гетероструктура GaN/AlGaN. Далее создаются защитный диэлектрический слой и электроды.

Рис. 3. Традиционная ячейка а) GaN-транзистора и б) eGaN® FET производства EPC

GaN и AlGaN имеют полярную природу. По этой причине уже в процессе роста на их границе происходит спонтанная поляризация с образованием поверхностных зарядов. Кроме того, GaN обладает выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Под действием деформации и механических напряжений он дополнительно поляризуется. Так как решетки GaN и AlGaN имеют рассогласование, то такие напряжения неизбежно возникают на границе их раздела [3].

В результате процессы поляризации вызывают формирование заряда в виде двухмерной плоскости (двухмерный электронный газ, 2DEG) [3].

Если на электроды стока и истока такой базовой ячейки подать напряжение, то начнет протекать ток, даже если напряжение на затворе равно нулю. Таким образом данный прибор является нормально открытым.

Чтобы прекратить протекание тока на затвор, необходимо подать отрицательное напряжение относительно истока (рисунок 3а).

Вполне очевидно, что такой транзистор весьма неудобен в использовании. Во-первых, чтобы избежать выгорания схемы, необходимо до включения основного питания обеспечить выключение транзистора. А во-вторых — необходимо иметь дополнительный источник отрицательного напряжения.

На этом проблемы с «простой» ячейкой не заканчиваются. Дело в том, что представленная структура имеет чрезвычайно упрощенный вид. На самом деле она гораздо сложнее.

Для эффективного отвода тепла от слоя GaN необходимо наличие подложки, а все стандартные материалы (Si, SiC, сапфир) имеют рассогласование кристаллических решеток с GaN. Чтобы снизить механические напряженности, вводят дополнительные согласующие слои. Аналогично добавляются и слои между другими разнородными материалами ячейки. В результате структура оказывается сложной [3].

Дополнительные проблемы вносит тот факт, что готовых решений не существует и необходимо проводить затратные исследования для выявления оптимальных материалов, толщины слоев и так далее.

Здесь в дело вступает коммерческий или, в каком-то смысле, «политический» аспект. Дело в том, что никто не спешит выделять средства на новые разработки в то время как есть готовые отточенные и выверенные до нанометров кремниевые технологии. Гиганты отрасли не горят большим желанием вкладываться в такие проекты, тем более гарантий их коммерческого успеха нет. И здесь в дело вступили молодые и амбициозные компании, одной из которых является EPC.

Остановимся подробнее на основных технологических решениях, предложенных EPC, и проведем краткий анализ полученных результатов.

Структура eGaN® FET от EPC – все гениальное просто

Инженеры EPC проявили высочайшую трудоспособность, результатом которой стало фантастически быстрое решение всех озвученных выше проблем.

Во-первых, была предложенная улучшенная структура ячейки транзистора, которая получила название eGaN® FET (Enhancement Mode) (рисунок 3б). Фундаментальные изменения коснулись формирования затвора и подзатворной области [4].

В этой ячейке под затвором формируется обедненная область AlGaN, поэтому поляризации GaN не происходит и формируется разрыв области электронного газа 2DEG.

Транзистор оказывается нормально закрытым прибором. Чтобы сформировать проводящий канал между стоком и истоком, необходимо приложить к затвору положительное напряжение относительно истока. В итоге работа eGaN абсолютно идентична работе обычного N-MOSFET!

Стоит сказать, что представленная структура является максимально упрощенной. Реальная ячейка имеет гораздо более сложный вид. Однако все технологические проблемы были решены, что сделало возможным серийный выпуск eGaN FET.

Появление серийных образцов дает абсолютную свободу для сравнения характеристик новых транзисторов и их кремниевых предшественников. Постараемся в таблице 2 дать объективный анализ с указанием достоинств и недостатков представителей каждой из технологий [5].

Таблица 2. Качественное сравнение силовых ключей 100 В

Сопротивление открытого канала канала Rси откр, мОм – одна из важнейших характеристик, определяющих потери на ключе. Типовое значение сопротивления близко для серийных образцов обоих транзисторов, но здесь следует сделать несколько замечаний.

Во-первых, как было сказано выше, GaN имеет более стабильные характеристики. Для него значение Rси в диапазоне температур 25…125°C меняется примерно в 1,4 раза. Сопротивление же MOSFET меняется более чем в 2,2 раза.

Во-вторых, зависимость сопротивления от максимального рабочего напряжения для GaN значительно слабее, чем у MOSFET. Это связано с тем, что увеличение длины канала «Сток-Исток» не так критически сказывается на величине сопротивления. Например, сопротивление 30 В транзистора EPC2023 составляет 1,3 мОм, а 200 В транзистора EPC2034 – всего 10 мОм.

Емкость С, пФ, определяет быстродействие транзистора. Предложенная плоская структура eGaN FET имеет минимальные значения емкостей CGD и CDS. Это позволяет коммутировать напряжения в сотни вольт с гигагерцевой частотой и снижать габариты преобразователей напряжения.

Пороговое напряжение Uзи пор., В, составляет для GaN всего 0,7…2,5 В, с первого взгляда это является достоинством из-за сокращения потерь мощности на управлении, но это, к сожалению, не так из-за больших входных токов. Кроме того, низкое Uзи пор. уменьшает стойкость транзистора к изменениям dv/dt.

Важно отметить, что максимальное значение напряжения на затворе GaN-транзистора составляет, как правило, всего +6 В/-4 В.

Входное сопротивление затвора Rg, Ом, определяет скорость перезаряда входной емкости. Для GaN данное сопротивление достаточно мало, что приводит к высокому быстродействию и улучшению защиты dv/dt. В то же время значения входных токов увеличиваются, а значит – растет и мощность управления.

Обратный диод. Предложенная схема GaN-транзистора не имеет обратного диода как такового. Однако есть механизм обратной проводимости, который выполняет его функцию. При этом интересен тот факт, что при обратном направлении тока не происходит накопления неосновных носителей, в отличие от MOSFET. А это значит, что потери на восстановление обратного диода отсутствуют.

Таким образом eGaN FET-транзистор имеет отличные электрические характеристики, но все еще уступает MOSFET в плане удобства управления. Поэтому на настоящий момент данный тип силовых ключей будет иметь преимущество перед MOSFET не всегда. Тем не менее, уже сейчас можно выделить перспективные приложения для eGaN FET: DC/DC-преобразователи для различных приложений, усилители мощности класса D, инверторы, системы беспроводной передачи мощности, лидары, системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), системы с повышенной температурной и радиационной стойкостью.

В качестве демонстрации преимуществ использования eGaN FET можно привести результаты опытных испытаний [6]. Были построены и исследованы DC/DC-преобразователи 12 В/1,2 В с рабочей частотой 1 МГц и 48 В/12 В с рабочей частотой 300 кГц (рисунок 4). Из графиков видно, что при увеличении рабочих частот и выходных токов преимущество eGaN FET перед MOSFET возрастает. Наилучшие результаты продемонстрировали GaN-транзисторы четвертого поколения: для первого преобразователя максимальный КПД составил более 91%, а для второго – более 98%. Это значительно выше показателей альтернативного DC/DC на MOSFET-ключах.

Рис. 4. Результаты сравнительных испытаний DC/DC-преобразователей

Стоит отметить, что EPC постоянно совершенствует технологии и конструкцию своих элементов. За семь лет было создано четыре поколения силовых компонентов. Сейчас выпускаются представители двух поколений: Gen2 и Gen4, которые имеют обратную совместимость с более ранними разработками.

Обзор номенклатуры eGaN FET от EPC

Линейку силовых компонентов производства компании EPC составляют три основные группы:

• дискретные силовые eGaN FET;
• eGaN FET для ВЧ-приложений;
• интегральные сборки eGaN FET.

Все эти элементы выпускаются в LGA-корпусах (рисунок 5).

Рис. 5. Примеры корпусных исполнений дискретных eGaN® FET

Группа дискретных eGaN FET объединяет в себя представителей двух поколений транзисторов с рабочими напряжениями 30…450 В (таблица 3).

Таблица 3. Дискретные eGaN® FET общего назначения

Все представленные силовые ключи имеют малое сопротивление. Рекордное Rси составляет 1,3 мОм для EPC2023 – ключа 30 В. При этом зависимость сопротивления от рабочего напряжения внутри данного сегмента оказывается не такой сильной, как в MOSFET.

Максимальные среднеквадратичные токи данной группы элементов в большинстве случаев составляют десятки ампер, а импульсные токи – десятки и сотни. Несмотря на столь внушительную мощность, все транзисторы выполнены в миниатюрных корпусах, наиболее крупным из которых является LGA 6,1×2,3 мм, а наиболее компактным – LGA 0,9×0,9 мм (рисунок 5).

Группа eGaN FET EPC800x предназначена для работы в субгигагерцевом диапазоне. Именно в ВЧ-приложениях GaN-транзисторы с самого начала завоевали господствующее положение.

Они – отличный выбор при построении приложений с жесткими режимами переключения силовых ключей и рабочими частотами от десятков до сотен МГц.

В настоящее время доступны EPC800x с рабочими напряжениями 40…100 В (таблица 4). Корпусное исполнение для всех представителей группы одинаково – LGA 2,1×0,85 мм (рисунок 5).

Таблица 4. eGaN® FET для ВЧ-приложений

Основными приложениями для EPC800x стали системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking) и системы беспроводной передачи мощности.

Рис. 6. Внутренняя схема eGaN® FET-сборок

Группа интегральных сборок eGaN FET содержит шесть компонентов с рабочими напряжениями 30…100 В (таблица 5). Все сборки представляют собой полумостовые схемы (рисунок 6).

Интегральные сборки eGaN FET могут иметь симметричную и несимметричную структуру (рисунок 7) [7].

В симметричной конфигурации размеры кристаллов транзисторов обоих плеч равны. Соответственно, сопротивление верхнего и нижнего ключей одинаковы. Такая схема подходит для усилителей класса D, приводов электродвигателей, в которых оба транзистора имеют равный нагрузочный диапазон.

В асимметричной конфигурации размер кристалла верхнего транзистора примерно в четыре раза меньше, чем нижнего. Их сопротивления также оказываются разными. Такая асимметрия выгодна, например, для DC/DC-преобразователей, работающих при малых длительностях импульсов, при больших разностях между входным и выходным напряжением. В таких случаях нижний ключ оказывается нагруженным значительно больше.

Таблица 5. Интегральные сборки eGaN® FET общего назначения

Рис. 7. Доступные конфигурации eGaN® FET-сборок производства EPC

Использование интегральных сборок вместо дискретных компонентов может быть выгодно по ряду причин. Во-первых, удается создать более компактные решения. Во-вторых, сборка имеет минимальные значения паразитных индуктивностей, что дает дополнительные преимущества на более высоких частотах (рисунок 8) [7].

Рис. 8. Преимущество eGaN® FET-сборок на высоких частотах

Для управления eGaN FET, имеющего ряд особенностей, необходимо использовать специальные драйверы.

Драйверы eGaN FET

Драйверы eGaN FET должны не только формировать соответствующие управляющие токи и напряжения, но и иметь дополнительные особенности. Это относится и к используемым контроллерам.

Во-первых, они должны иметь повышенные рабочие частоты. Во-вторых, отличаться минимальными собственными потерями. В-третьих, включение и выключение транзисторов должно осуществляться с безопасными уровнями dv/dt и di/dt.

Чтобы избежать проблем, компания EPC составила список рекомендуемых микросхем управления (таблица 6). Сейчас наиболее оптимальным является использование драйверов LM5113 и LM5114 производства компании Texas Instruments.

Таблица 6. Рекомендуемые драйверы и контроллер eGaN® FET

Важно понимать, что создание мощных преобразователей и ВЧ-приборов требует большого мастерства и повышенного внимания [8]. Для минимизации ошибок на первых этапах при разработке логично использовать готовые решения.

Средства отладки и разработки от EPC

Рис. 9. Внешний вид готовых модулей DrGaNPLUS

Компания EPC предоставляет разработчикам всю необходимую информационную поддержку: документацию на компоненты, модели (PSPICE, TSPICE, LTSPICE), библиотеки посадочных мест для Altium Designer, тепловые модели. Однако большое количество тонкостей может привести к возникновению недочетов или даже ошибок при проектировании. Чтобы избежать этого, а также быстро освоить новые приборы, следует воспользоваться готовыми решениями:

• отладочными платами;
• демонстрационными наборами;
• законченными модулями DrGaNPLUS.

Отладочные платы eGaN FET (таблицы 7, 8) представляют собой готовые печатные платы с полумостовой схемой, драйвером, необходимыми дополнительными пассивными компонентами и логикой. Практически для каждого eGaN FET имеется своя отладочная плата. Это касается как дискретных транзисторов и интегральных сборок (таблица 7), так и eGaN FET для ВЧ-приложений (таблица 8).

В качестве наглядного примера компания EPC выпускает целую группу демонстрационных наборов: понижающих преобразователей, наборов беспроводной передачи мощности, усилителей класса D (таблица 9).

Особо стоит отметить модули DrGaNPLUS. Они представляют собой миниатюрные платы, предназначенные для непосредственного встраивания в готовые устройства. Их габариты составляют всего 11×12 мм (рисунок 9). Рабочее напряжение составляет 30 В (EPC9201) или 80 В (EPC92013) (таблица 10).

Заключение

Новые eGaN FET производства компании EPC отличаются низким сопротивлением «сток-исток», малой емкостью, высокой стабильностью параметров. В то же время работа с ними аналогична работе с традиционными MOSFET. При этом eGaN FET не только бросают вызов своим кремниевым собратьям, но и показывают превосходство в DC/DC-преобразователях, в усилителях мощности класса D, в инверторах, в системах беспроводной передачи мощности, в лидарах, в системах подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), в системах с повышенной температурной и радиационной стойкостью.

За семь лет существования компания EPC смогла создать линейку продукции, состоящую из таких сегментов как:

• дискретные eGaN FET общего назначения;
• интегральные eGaN FET сборки общего назначения;
• eGaN FET для ВЧ-приложений;
• отладочные наборы практически для всех силовых приборов;
• демонстрационные наборы;
• законченные миниатюрные модули DrGaNPLUS.

Литература

1. http://epc-co.com/epc/Markets.aspx;
2. Ashlee Vance. The Semiconductor Revolutionary. BloombergBusiness, 2015;
3. Федоров Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн//Электроника НТБ № 2/2011;
4. Alex Lidow PhD, Johan Strydom, PhD. WP001 Gallium Nitride (GaN) Technology Overview. EPC, 2012.
5. Alex Lidow PhD. AN001 Is it the End of the Road for Silicon in Power Conversion?. EPC, 2011;
6. Alex Lidow PhD., David Reusch, PhD. AN017 Fourth Generation eGaN® FETs Widen the Performance Gap with the Aging MOSFET? EPC, 2014;
7. Alex Lidow PhD., David Reusch, PhD Johan Strydom, PhD. AN018 GaN Integration for Higher DC-DC Efficiency and Power Density. EPC, 2015;
8. Narendra Mehta. Application Report. SNVA723. Design Considerations for LM5113 Advanced GaN FET Driver During High-Frequency Operation. Texas Instruments, 2014;
9. http://epc-co.com/.