Силовые транзисторы, выполненные по технологии GaN-on-Si, от французской лаборатории Leti

Занимающаяся полупроводниковыми компонентами французская лаборатория CEA-Leti разрабатывает силовые транзисторы, в том числе мощные двунаправленные ключи. Leti совместно с компанией Soitec, производящей пластины по технологии «кремний-на-изоляторе», в 2014 году основала филиал Exagan для выработки силовых транзисторов. Компоненты производятся на основе нитрида галлия (GaN) и 200-мм пластин при помощи платформы G-Fet.

Leti показала GaN-транзистор с нормально открытым состоянием и рабочими характеристиками до 650 В, 100 А. Для силовых каскадов применение подобных транзисторов проблематично ввиду того, что они могут вызывать режим КЗ при сбое управляющих сигналов. Однако, существует несколько схем, как реализовать безопасное применение нормально открытых GaN-транзисторов. Согласно специалистам Leti, это может быть технология транзисторов с инъекцией дырок в затвор (GIT). Такой способ применяется компаниями EPC и GaN Systems. Также может применяться затвор с и-образной канавкой (сдвинутый затвор). Leti остановилась на втором варианте. Поскольку такой подход сулит в будущем реализацию меньшего сопротивления открытого состояния.

Все реализуемые на практике GaN-транзисторы имеют высокую подвижность электронов (HEMT) и содержат слой AlGaN в своей структуре. Затвор с и-образной канавкой подразумевает травление в область данного слоя при сохранении заданной толщины – весьма сложная задача, которую пытаются решить инженеры. Leti достигла рабочего напряжения до 650 В и тока до 100 А на монтажной площади в 20 кв. мм, ухудшив(повысив) сопротивление открытого состояния транзистора в 2 раза.

Среди других способов реализации нормально закрытого состояния ключей является сочетание высоковольтных GaN-транзисторов (с нормально открытым состоянием) с низковольтными МОП-транзисторами с нормально закрытым состоянием и организация каскодной пары. Каскодная связь может управляться обычными чипами-драйверами. Она позволяет достичь точного баланса динамических характеристик.

Новые транзисторы, выполненные по технологии GaN-on-Si (нитрид галлия на кремнии), являются компонентами с продольной структурой – ток не проходит внутрь подложки. А это означает возможность реализации монолитной двунаправленной коммутации. Leti разработала несколько двунаправленных GaN-транзисторов. В первом поколении таких компонентов транзистор состоял из двух ключей. Новые решения состоят из одного ключа и требуют на 20 % меньше монтажной площади в сравнении с первым поколением.

Двунаправленное переключение открывает возможности для создания матричных преобразователей – устройств с 3-фазным входом и 3-фазным выходом, не требующих наличия высоковольтных конденсаторов, способных преобразовывать любую частоту в любую другую. Причина невысокой популярности подобных решений – необходимость применения большого числа двунаправленных ключей. Но теперь, при использовании технологии GaN-on-Si, схема может задействовать лишь один монолитный транзистор.

По словам инженеров Leti, 10-амперный мост может быть реализован на монтажной площади в 40 кв.мм. Управление таким матричным преобразователем с 18 встроенными вентилями – нетривиальная задача. Компания разработала специальный контроллер, состоящий из моста на полупроводниковых МОП-транзисторах и GaN-транзисторах для коммутации. Детали данной разработки будут представлены на конференции в августе текущего года.