賴靜雪，陳萬軍，孫瑞澤，劉 超，張 波

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

1 引言

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展促進(jìn)了功率集成電路整體性能的提升。由于GaN 材料和AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性，AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）已經(jīng)開始作為主要開關(guān)器件被廣泛應(yīng)用于各類高頻、高效功率變換器中[1-2]。基于GaN 器件的應(yīng)用導(dǎo)向型集成技術(shù)的市場價值正在逐漸擴(kuò)大，為了更好地發(fā)揮GaN 基功率集成電路的性能優(yōu)勢，需要盡可能提高開關(guān)器件、控制電路和無源器件間的集成度[3]，將控制、監(jiān)測和保護(hù)等電路單片集成可顯著提升GaN 集成電路的多功能性與集成度[4]。

應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的GaN 單片集成電路的工藝平臺可采用已有的商業(yè)化耗盡型HEMT 器件工藝平臺[5]。RODRíGUEZ 等利用0.15 μm GaN-on-SiC/Si耗盡型工藝平臺實現(xiàn)了集成柵驅(qū)動的GaN 半橋功率變換器[6-8]。隨著增強(qiáng)型HEMT 工藝的出現(xiàn)，采用增強(qiáng)型HEMT 器件的GaN 集成電路開始快速發(fā)展[9-12]。研究者提出了多種基于增強(qiáng)型GaN HEMT 的模擬或數(shù)字集成電路[3,12-14]，包括模擬電路中的比較器[15-16]、電壓基準(zhǔn)源[15]、溫度傳感器[17]、數(shù)字功能IC[18]和邏輯門電路[19]。研究人員采用多種不同的增強(qiáng)型工藝流程來制造GaN 單片集成電路，例如氟離子注入技術(shù)[9,20]、凹槽柵技術(shù)[10]、柵注入晶體管[21-22]和p-GaN 帽層結(jié)構(gòu)[23-25]，同時多種新型器件結(jié)構(gòu)和技術(shù)也可應(yīng)用于GaN 集成工藝平臺中[26-28]。

全GaN 單片集成電路技術(shù)的發(fā)展需要在穩(wěn)定的工藝平臺基礎(chǔ)上，深度優(yōu)化基本功能子電路設(shè)計，才能研制出性能更佳、功能更豐富的全GaN 單片功率集成電路。本文介紹了不同類型的全GaN 集成工藝平臺以及GaN 基功能子電路的研究進(jìn)展，并對GaN 單片功率變換集成電路的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

2 GaN 功率集成工藝平臺

AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面處由于極化效應(yīng)而存在二維電子氣溝道，因此未作增強(qiáng)型處理的GaN HEMT是常開器件，這導(dǎo)致早期GaN 工藝平臺以耗盡型工藝為主。由于GaN HEMT 在微波射頻IC 領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，早在2004 年就有報道基于耗盡型GaN HEMT 器件的集成功率變換器[29]。2016 年RODRíGUEZ 等利用商用0.15 μm GaN-on-SiC/Si 耗盡型工藝平臺實現(xiàn)了應(yīng)用于降壓變換的GaN 功率IC，該GaN 功率IC 單片集成了柵驅(qū)動和功率開關(guān)[6-8]。該耗盡型工藝平臺如圖1 所示，其中有源器件包括0.15 μm T 型柵HEMT、肖特基二極管、0.5 μm 100 V HEMT 功率開關(guān)，同時還集成無源MIM 電容。

圖1 0.15 μm GaN-on-SiC/Si 耗盡型工藝平臺

然而利用耗盡型HEMT 工藝流程來實現(xiàn)集成柵驅(qū)動的GaN 半橋功率變換器，意味著電路中HEMT器件的閾值電壓均為負(fù)值[6-8]，需要額外電壓源來提供負(fù)柵驅(qū)動偏壓，同時耗盡型HEMT 器件柵壓擺幅小，這都使GaN 功率變換器IC 設(shè)計變得更為復(fù)雜。增強(qiáng)型GaN HEMT 則不需要額外的負(fù)電壓源[9-10,12,20,30]，能夠極大簡化GaN 集成電路的設(shè)計和工藝復(fù)雜度。因此，隨著增強(qiáng)型技術(shù)的發(fā)展，采用增強(qiáng)型HEMT 技術(shù)的GaN 集成電路平臺逐漸成為主流。

2005 年，香港科技大學(xué)提出氟離子注入增強(qiáng)型HEMT 器件結(jié)構(gòu)[31]，在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上大力發(fā)展增強(qiáng)型與耗盡型HEMT 器件的單片集成技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字邏輯電路、反相器、環(huán)形振蕩器等多種電路結(jié)構(gòu)[32]。2009 年，香港科技大學(xué)報道了基于氟離子增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)的GaN 智能功率集成平臺[9,15,33]，如圖2 所示，并基于該平臺實現(xiàn)了GaN 基比較器和基準(zhǔn)電壓源等電路。

圖2 基于氟離子增強(qiáng)型技術(shù)的GaN 智能功率集成平臺[15]

盡管采用增強(qiáng)型HEMT 技術(shù)的GaN 集成電路不需要額外的負(fù)電壓源，但器件柵壓擺幅仍然被柵極肖特基結(jié)構(gòu)的耐壓能力所限制，導(dǎo)致器件極容易因為柵極泄露電流或柵極擊穿而出現(xiàn)性能退化。p 型(Al)GaN帽層增強(qiáng)型技術(shù)可以有效地減小柵極泄漏電流并擴(kuò)大柵壓擺幅[11,21-22]。德國夫瑯禾費應(yīng)用固體物理研究所于2018 年報道了其開發(fā)的p 型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺[34]，如圖3 所示。該工藝平臺實現(xiàn)了GaN 功率管內(nèi)集成肖特基二極管，并集成了電流和溫度傳感器，更有利于全GaN 集成電路的設(shè)計與功能實現(xiàn)。基于該工藝平臺，德國夫瑯禾費應(yīng)用固體物理研究所實現(xiàn)了可工作在3 MHz 的400 V 轉(zhuǎn)200 V 全GaN 降壓功率IC。

圖3 基于p 型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺[34]

臺積電也基于p 型(Al)GaN 帽層增強(qiáng)型技術(shù)開發(fā)了商業(yè)化100 V/650 V GaN-on-Si 增強(qiáng)型功率IC 工藝平臺，如圖4 所示，臺積電利用該工藝平臺為包括GaN System、Navitas 等在內(nèi)的多家公司代工。

圖4 基于p 型柵100 V/650 V GaN-on-Si 功率IC 工藝平臺

除氟離子注入技術(shù)和p 型柵結(jié)構(gòu)外，凹槽柵結(jié)構(gòu)也是實現(xiàn)增強(qiáng)型GaN HEMT 器件常用的技術(shù)。電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室通過凹槽柵增強(qiáng)型技術(shù)，開發(fā)了一套基于AlGaN/GaN MIS-HEMT 的全GaN集成工藝平臺，如圖5 所示。該工藝平臺具有無金歐姆接觸，與CMOS 工藝相兼容，同時在功率器件中集成了嵌入式電流傳感器結(jié)構(gòu)[35]以實現(xiàn)功率變換器的電流反饋控制功能?；谠摴に嚻脚_，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室實現(xiàn)了具有多種功能的全GaN 智能功率變換器[36]。

圖5 基于MIS 凹槽柵技術(shù)的GaN 功率集成工藝平臺[36]

耗盡型GaN 集成工藝平臺主要應(yīng)用于微波射頻IC，而增強(qiáng)型GaN 集成工藝平臺更適用于高壓功率IC 的制造，尤其是高壓功率變換的應(yīng)用，在此類功率變換集成電路中往往存在高低壓器件隔離問題，而傳統(tǒng)的GaN 功率集成工藝平臺多采用離子注入隔離或槽隔離技術(shù)，這2 種隔離技術(shù)都不能完全解決集成電路中的高低壓串?dāng)_問題?；诖藛栴}，比利時IMEC 研究所提出GaN-on-SOI 工藝平臺，解決了高低壓隔離和襯偏效應(yīng)。但該工藝平臺的SOI 隔離技術(shù)散熱性能和可靠性有所不足。因此，如何能夠在不影響GaN 集成電路可靠性的同時解決高低壓隔離和襯偏效應(yīng)是未來GaN 集成工藝平臺發(fā)展中需要解決的問題之一。

3 應(yīng)用型功能子電路模塊

GaN 基功能子電路是設(shè)計和實現(xiàn)全GaN 功率集成電路的基礎(chǔ)。全GaN 功率IC 本質(zhì)上是由不同的功能子電路模塊構(gòu)成，通過集成不同的子電路模塊來實現(xiàn)功能更豐富、更完善的全GaN 功率IC。以全GaN 功率變換器IC 為例，圖6 為電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室設(shè)計的全GaN 功率變換器IC 的原理框圖，該功率變換器主要由高邊柵驅(qū)動、過流保護(hù)、脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號發(fā)生器、反饋控制回路和功率變換回路5 個模塊組成，其中功率變換模塊是整個GaN 功率變換器的核心，其余的功能子電路則有助于在全GaN單片集成電路中實現(xiàn)功能更加完善的功率變換器。因此了解GaN 基功能子電路的設(shè)計和發(fā)展是實現(xiàn)全GaN 單片集成電路的前提和基礎(chǔ)。

圖6 全GaN 功率變換器IC 原理

3.1 反相器

反相器是功率變換電路中最基礎(chǔ)的組成部分。基于反相器結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)緩沖器、驅(qū)動、環(huán)形振蕩器等多種功能電路。因此，對GaN 單片集成電路的研究最早從反相器這種基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)入手。圖7(a)所示為基于n 溝道GaN HEMT 器件的反相器電路結(jié)構(gòu)。反相器由一個耗盡型GaN HEMT 和一個增強(qiáng)型GaN HEMT構(gòu)成。反相器作為模擬電路和數(shù)字電路中最常見的模塊，可以實現(xiàn)信號180°相位翻轉(zhuǎn)。在NMOS 邏輯下，耗盡型GaN HEMT 作為有源負(fù)載，而輸入信號則施加在增強(qiáng)型GaN HEMT 的柵極上。

早在2005 年，香港科技大學(xué)團(tuán)隊就基于所提出的氟離子注入增強(qiáng)型技術(shù)實現(xiàn)了GaN 基反相器集成電路[31]，該反相器在Vdd為1.5 V 時的輸出邏輯擺幅為1.25 V，低電平噪聲容限為0.21 V，高電平噪聲容限為0.51 V。香港科技大學(xué)團(tuán)隊并在此GaN 基反相器的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了單片集成的GaN 基17 級環(huán)形振蕩器，圖7(b)展示了該環(huán)形振蕩器的電路結(jié)構(gòu)，該電路由36個晶體管組成，基本工作頻率為193 MHz，Vdd=3.5 V時每級延遲為0.13 ns，Vdd=1 V 時每級產(chǎn)生的延遲功耗低至0.113 pJ。香港科技大學(xué)團(tuán)隊還在2007 年報道了所制造的反相器和環(huán)形振蕩器在375 ℃時的高溫特性[32]，且2017 年報道了利用新型0.5 μm p-GaN 增強(qiáng)型工藝實現(xiàn)的性能更佳、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的101 級環(huán)形振蕩器，該振蕩器在輸入電壓為4 V 時，每級延遲僅為0.1 ns[18]。香港科技大學(xué)在最新發(fā)表的論文中報道了利用新型GaN E-mode n-/p-channel HEMT 工藝所實現(xiàn)的反相器集成電路[37]，電路拓?fù)浜推骷に嚱Y(jié)構(gòu)如圖8 所示。該反相器由GaN p-FET 和n-FET 組成，p-FET采用MIS 凹槽柵埋層p 溝道工藝，n-FET 則采用p-GaN 柵增強(qiáng)型技術(shù)，得以首次在GaN 集成電路中實現(xiàn)CMOS 邏輯，該反相器可實現(xiàn)5 V 的軌對軌輸出。

圖7 反相器和環(huán)形振蕩器電路[31]

此外，2014 年，中國電子科技集團(tuán)公司第55 研究所基于MIS 凹槽柵技術(shù)實現(xiàn)了Vdd為5 V 時輸出擺幅為3.75 V 的GaN 基反相器IC 和51 級環(huán)形振蕩器[38]，該環(huán)形振蕩器基本工作頻率為427 MHz，每級延遲僅為0.023 ns。2015 年，新加坡國立大學(xué)采用MIS 凹槽柵和氟離子注入相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)了Vdd為10 V、最大輸出擺幅為9.66 V、高低電平噪聲容限分別為4.9 V和3.2 V 的GaN 基反相器IC[39]。圖9 展示了該反相器在輸入100 kHz 方波信號時的輸入和輸出波形。2018年ZHU 等采用MIS 凹槽柵工藝基于反相器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了非門、與非門和或非門3 種邏輯門電路，并且該數(shù)字邏輯IC 在高溫下仍然保持良好特性[19]。表1 給出了部分報道的GaN 基單片集成反相器IC 的工藝性能等關(guān)鍵參數(shù)的對比總結(jié)，其中NMOS 邏輯是GaN 基集成電路常用邏輯，但無法實現(xiàn)如CMOS 邏輯一樣的軌對軌輸出，始終存在一定的功率損耗。

圖8 基于GaN E-mode n-/p-channel HEMT 工藝的反相器[37]

圖9 100 kHz 下反相器動態(tài)性能[39]

表1 已報道的部分GaN 基反相器IC 關(guān)鍵參數(shù)對比

3.2 比較器

比較器是模擬電路實現(xiàn)比較和計算功能的基本單元，功率變換電路中的PWM 信號發(fā)生器和反饋控制回路等比較器都是其重要組成部分。采用單輸出結(jié)構(gòu)[16]的比較器電路如圖10(a)所示，常見的單輸出比較器由2 個耗盡型MIS-HEMT 構(gòu)成電流鏡的有源負(fù)載，增強(qiáng)型MIS-HEMT 作為差分輸入對，并采用一個柵源短接的耗盡型MIS-HEMT 作為電流偏置。2009 年香港科技大學(xué)基于所開發(fā)的GaN 智能功率集成平臺設(shè)計制造了一款GaN 基比較器[15]，通過為用作電流偏置的HEMT 器件柵極額外提供具有溫度補(bǔ)償特性的偏置電壓電路，使得該比較器與傳統(tǒng)比較器相比具有更好的溫度穩(wěn)定性，該比較器結(jié)構(gòu)如圖10(b)所示。2019年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室則利用MIS 凹槽柵工藝平臺實現(xiàn)了采用單輸出結(jié)構(gòu)的GaN 基比較器[36]，該比較器的輸入信號電壓范圍為0～10 V，當(dāng)參考電壓Vref為2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V 時，該比較器均能實現(xiàn)比較功能。

3.3 PWM 信號發(fā)生器

PWM 信號發(fā)生器是功率變換器中的重要組成單元，主要用于為驅(qū)動提供柵信號，并且可通過反饋回路調(diào)制PWM 信號的占空比從而控制功率變換輸出電壓。PWM 信號發(fā)生器由鋸齒波發(fā)生器和PWM 比較器2 部分構(gòu)成，將鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號與反饋回來的變換器輸出信號進(jìn)行比較并輸出相應(yīng)的PWM 信號，其中PWM 信號的頻率由鋸齒波信號決定，占空比則由輸出信號調(diào)制得到。

2015 年香港科技大學(xué)報道了所設(shè)計的PWM 集成電路，該P(yáng)WM 信號發(fā)生器由鋸齒波發(fā)生器和PWM比較器兩塊GaN 基IC 組成，該GaN PWM 信號發(fā)生器工作頻率為1 MHz，且在250 ℃高溫下也能正常工作[40]。2019 年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室首次報道了全集成式的GaN 基PWM 信號發(fā)生器[36]，芯片顯微圖像和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11(a)所示，包括了遲滯比較器、鋸齒波單元和PWM 比較器3 部分，PWM 信號頻率為10.8 kHz，反饋電壓范圍為3～8 V 時，輸出信號占空比范圍為28.1%～76.8%，其輸出結(jié)果如圖11(b)所示。

圖10 比較器電路[15-16]

圖11 全集成式GaN 基PWM 信號發(fā)生器[36]

3.4 基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源負(fù)責(zé)為電路提供穩(wěn)定的參考電壓，因此對基準(zhǔn)電壓源的精度和溫度穩(wěn)定性要求較高。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)和CMOS 基準(zhǔn)的工作溫度范圍較低，在極限溫度環(huán)境中工作性能不佳。而得益于GaN 材料的寬禁帶特性和良好的溫度特性，GaN 基基準(zhǔn)電壓源的工作溫度范圍更廣。

2009 年香港科技大學(xué)首次利用所開發(fā)的GaN 智能工藝平臺實現(xiàn)了GaN 基基準(zhǔn)源IC，該基準(zhǔn)源IC 的電路結(jié)構(gòu)和芯片顯微圖像如圖12(a)所示，該基準(zhǔn)源的工作溫度可高達(dá)250 ℃且溫漂小于70×10-6/℃[15]。2020年LIAO 等采用P-GaN 增強(qiáng)型技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一款性能更佳的GaN 基基準(zhǔn)源IC，其芯片顯微圖像如圖12(b)所示，該基準(zhǔn)源IC 輸入電壓范圍為3.9～24 V，工作溫度范圍為-50～200 ℃，其溫漂為23.6×10-6/℃[41]。

3.5 保護(hù)功能電路

在功率變換集成電路中，保護(hù)電路可分為過壓保護(hù)和過流保護(hù)2 種，過壓保護(hù)主要針對開關(guān)器件的柵極保護(hù)，過流保護(hù)則是避免因負(fù)載短路或上下管穿通導(dǎo)致電流過大進(jìn)而開關(guān)管燒毀的情況。

在功率變換應(yīng)用中，為了獲得更小的導(dǎo)通壓降，高邊開關(guān)管在開關(guān)過程中往往是過驅(qū)動狀態(tài)，肖特基金屬柵極漏電較高，在正向偏壓下柵極漏電與柵壓呈指數(shù)關(guān)系，因此過驅(qū)動狀態(tài)下柵極漏電會迅速升高導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。2013 年香港科技大學(xué)通過在GaN E-HEMT 柵極處集成一個柵源短接D-HEMT器件來鉗制柵極電流大小以實現(xiàn)柵極過壓保護(hù)的功能，該集成電路顯微圖像和電路結(jié)構(gòu)如圖13 所示，該柵極過壓保護(hù)IC 實現(xiàn)了超過20 V 的柵壓擺幅并且導(dǎo)

通電流和耐壓與傳統(tǒng)E-HEMT 相比沒有下降[42]。

圖12 GaN 基基準(zhǔn)源

圖13 GaN 柵極過壓保護(hù)IC 顯微圖像及電路結(jié)構(gòu)[42]

過流保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)相對更加復(fù)雜，通過將變換器主回路電流或電壓采樣返回的信號與參考電壓進(jìn)行比較，若過流則最終輸出過流保護(hù)信號控制柵極驅(qū)動關(guān)斷開關(guān)器件。2019 年香港科技大學(xué)提出了一種過流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，并基于其GaN 基工藝平臺將過流保護(hù)回路與驅(qū)動和功率開關(guān)管集成在一起，其過流保護(hù)IC 將傳感組件和時間控制器分開，進(jìn)一步提升過流保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如圖14(a)所示為該過流保護(hù)IC的電路拓?fù)鋱D，除負(fù)載外所有元件均集成在同一塊GaN 基IC 上[43]。2020 年電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室基于所開發(fā)的GaN MIS 凹槽柵增強(qiáng)型工藝平臺實現(xiàn)了過流保護(hù)回路與驅(qū)動和開關(guān)器件的集成，圖14(b)展示了該集成電路的圖像[44]，藍(lán)色線條為測試時外接的無源器件和二極管，紅色箭頭標(biāo)識所加電源和測試點位置。

圖14 GaN 過流保護(hù)IC 電路[43-44]

隨著GaN 器件增強(qiáng)型技術(shù)的不斷完善，GaN 功率集成技術(shù)朝著更豐富的集成功能、更高的工作頻率、更大的輸出功率與更高的集成度等多方向發(fā)展。除以上主要應(yīng)用于功率變換領(lǐng)域中的功能子電路外，也有其他的子電路類型，如GaN 模擬IC、數(shù)字IC 或數(shù)?；旌螴C，香港科技大學(xué)曾于2012 年報道過設(shè)計制造的應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換的2 級GaN 基數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及寄存器[45]。

4 全GaN 功率變換器IC

由于電路中的寄生參數(shù)以及硅驅(qū)動電路工作頻率的限制，采用GaN HEMT 作開關(guān)器件的分立型功率變換器并不能完全發(fā)揮出GaN HEMT 的性能優(yōu)勢。低寄生參數(shù)、高功率密度、高工作頻率的全集成式GaN功率變換器正在快速發(fā)展。

2008 年香港科技大學(xué)基于氟離子注入增強(qiáng)型技術(shù)實現(xiàn)了HEMT 與二極管單片集成功率變換器[46]，這是最早的GaN 集成功率變換器的報道，所制造的GaN 功率集成變換器芯片的顯微圖像及電路結(jié)構(gòu)如圖15 所示，該變換器實現(xiàn)了1 MHz 頻率下10～21 V的升壓功率變換，效率達(dá)到84%。2012 年日本松下公司報道了應(yīng)用于DC-DC 變換器的集成硅肖特基二極管的GaN 半橋結(jié)構(gòu)[47]；2016—2017 年德國夫瑯禾費應(yīng)用固體物理研究所報道了集成續(xù)流二極管的GaN-on-Si 半橋結(jié)構(gòu)，并對600 V/20 A 量級的GaN 集成半橋的襯底偏置效應(yīng)進(jìn)行了研究[48-49]。

圖15 單片集成式GaN 功率變換IC 電路結(jié)構(gòu)及照片[46]

圖16 集成柵極驅(qū)動的GaN DC-DC 變換器IC 顯微圖像和電路拓?fù)鋄22]

在半橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，為進(jìn)一步縮小面積、提升功率密度，一些研究者和公司將柵極驅(qū)動集成到功率半橋上實現(xiàn)集成功率變換器。2014 年日本松下公司報道了集成柵極驅(qū)動的GaN DC-DC 變換器IC，該變換器IC 可實現(xiàn)2 MHz 頻率下12 V 轉(zhuǎn)1.8 V 降壓功率變換，效率達(dá)到86.6%，所制造的GaN DC-DC 變換器IC 的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和顯微圖像如圖16 所示[22]。此后2015 年、2018 年德國夫瑯禾費應(yīng)用固體物理研究所[50]和香港科技大學(xué)[51]也分別報道了集成柵極驅(qū)動的600 V 和650 V 量級的GaN IC。

雖然GaN 集成功率半橋已經(jīng)能夠讓工作頻率從傳統(tǒng)的65～100 kHz 提升至1 MHz 以上，全GaN 功率變換器可進(jìn)一步減小寄生參數(shù)以進(jìn)一步提升工作頻率。2015 年美國科羅拉多大學(xué)波德分校報道了采用商用0.25 μm 耗盡型HEMT 工藝平臺所制造的全GaN降壓功率變換器，該變換器工作在25 V、20 MHz 時效率可達(dá)89.7%[52]。2016 年美國Teledyne 公司利用所開發(fā)的0.15 μm GaN-on-SiC/Si 耗盡型工藝平臺實現(xiàn)了20 V、5 W、100 MHz 降壓功率變換器[7]。通過采用p 型柵增強(qiáng)型集成工藝平臺，德國夫瑯禾費應(yīng)用固體物理研究所于2018 年報道的全GaN 降壓功率集成電路在3 MHz 頻率下可實現(xiàn)400～200 V 功率變換[34]。該研究所制造的GaN 功率IC 顯微圖像如圖17 (a) 所示，該GaN 功率變換IC 在輸入200 V 時的VSW信號、高低邊柵信號（VGS）和電感電流信號（IL）的波形變化如圖17(b)所示，其工作頻率可達(dá)40 MHz。2016—2019 年基于所開發(fā)的凹槽柵增強(qiáng)型集成工藝平臺，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室報道了從器件到功能子電路再到應(yīng)用型GaN 功率變換器IC 的完整集成方案，該全GaN 智能功率變換器集成了包括柵極驅(qū)動、反饋控制和過流保護(hù)等多種功能，并實現(xiàn)了15～30 V 轉(zhuǎn)10 V 的降壓變換[36]。

表2 總結(jié)了2008 年以來部分團(tuán)隊發(fā)表的關(guān)于全GaN 單片集成功率變換器的工作成果。從表中可以了解到全GaN 功率變換IC 的集成度在逐漸增加，2015年前GaN 基功率變換IC 主要集成相對簡單的功率變換開關(guān)模塊或柵驅(qū)動模塊，2015 年后開始出現(xiàn)集成電路更復(fù)雜完善、功能更豐富的全GaN 式功率變換器。對比表中采用不同工藝的全GaN 功率變換IC 的性能可知，采用耗盡型HEMT 工藝的全GaN 集成功率變換器IC 的工作頻率相對更高甚至能達(dá)到上百兆赫茲，而采用增強(qiáng)型HEMT 工藝的全GaN 集成功率變換器IC 的工作頻率主要集中在1 MHz 左右，但在600 V 量級的高壓、高頻領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。

圖17 應(yīng)用于功率變換的全GaN 功率IC[34]

表2 已報道的部分GaN 基功率變換IC 關(guān)鍵參數(shù)對比

5 結(jié)論與展望

全GaN 集成功率變換器IC 具有低寄生參數(shù)、高功率密度、高工作頻率等優(yōu)點，各種豐富的GaN 基功能子電路的實現(xiàn)促進(jìn)了全GaN 單片集成功率變換IC的發(fā)展，現(xiàn)有研究的報道成果也證明了全GaN 單片集成功率變換器IC 在高頻功率變換領(lǐng)域中的優(yōu)勢。然而由于傳統(tǒng)GaN HEMT 主要為n 溝道器件，所以大部分GaN 基集成電路均采用NMOS 邏輯，NMOS 邏輯與CMOS 邏輯相比仍然存在一定的功耗損失，因此若要進(jìn)一步提高全GaN 集成電路整體性能，除了改進(jìn)工藝和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，另一個直接的方法則是采用CMOS 邏輯。但GaN p 溝道HEMT 的性能與n 溝道HEMT 相差較大，難以匹配，若直接采用CMOS 邏輯反而會拉低整個電路的性能，限制GaN 基CMOS 邏輯集成電路發(fā)展的最大障礙就是GaN p 溝道器件的性能提升。因此未來對GaN p 溝道HEMT 器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及工藝水平的提升將是促進(jìn)全GaN 單片集成電路的發(fā)展和革新的方向之一。

本文介紹了不同類型的全GaN 集成工藝平臺以及部分GaN 功能子電路的研究發(fā)展，并對GaN 功率變換器單片集成電路的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，希望為未來全GaN 集成功率IC 的發(fā)展和應(yīng)用提供有價值的參考。