Ontwerp van een monolythische hoge-snelheid driver chip voor GaN HEMTs

Probleemstelling:


Hedendaagse vermogen-elektronische schakelingen maken bijna uitsluitend gebruik van silicium als halfgeleidend materiaal. De silicium-technologie bereikt echter langzaamaan zijn hoogtepunt. Wide-bandgap halfgeleiders zijn hét alternatief voor silicium voor componenten die elektrisch vermogen op efficiënte wijze moeten omzetten. Zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN) lijken over de beste papieren te beschikken: beide zijn wide-bandgap halfgeleiders (3.3 eV), halen een kritisch elektrisch veld dat een tienvoud is van silicium, hebben een hoge mobiliteit en saturatiesnelheid, en een relatief hoge thermische geleidbaarheid. Daarbij komt nog dat deze wide-bandgap materialen in principe geschikt zijn om bij hogere temperaturen te werken dan silicium. Al deze voordelen zorgen ervoor dat met SiC en GaN transistoren kunnen gemaakt worden die zeer hoge spanningen, zeer hoge stroomdichtheden en hoge bedrijfstemperaturen aankunnen, hetgeen van primordiaal belang is om zeer compacte, zeer snel schakelende en uiterst vermogen-efficiënte energie-omzetters te bouwen.

Binnen IMEC werkt men momenteel aan een geavanceerde technologie waarmee GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistor) bovenop een grote silicium wafer kunnen worden gefabriceerd. Om deze GaN HEMTs aan te sturen heeft men evenwel nood aan een speciale driver chip die in het kader van deze masterproef zal worden ontworpen.


Doelstelling:

De commercieel verkrijgbare driver chips voor de controle van conventionele silicium vermogentransistoren zijn helaas niet geschikt om er GaN HEMTs mee aan te sturen en wel om 2 bijzondere redenen. Ten eerste is het de bedoeling dat de GaN HEMTs schakelen aan veel hogere frequenties dan de silicium transistoren (enkele MHz in plaats van enkele honderden kHz). Bovendien zijn de GaN HEMTs doorgaans van het D-mode (Depletion-mode) type, wat betekent dat deze n-type transistoren een negatieve drempelspanning bezitten en dus een negatieve gate-spanning vereisen om afgeknepen te worden. Beide eigenschappen van de GaN HEMTs zorgen ervoor dat de klassieke gate-driver chips die normaal voor de aansturing van silicium transistoren worden aangewend, niet langer bruikbaar zijn. Precies daarom zal in het kader van deze masterproef een nieuwe driver chip worden ontworpen die aan de specifieke noden van de GaN HEMTs tegemoet komt. Om de zeer hoge schakelfrequenties aan te kunnen zal een speciale aanstuurtechniek vereist zijn. Een vorm van resonante sturing lijkt daarbij aangewezen om de schakelverliezen binnen de perken te houden en aldus een hoog rendement te verzekeren. Om de negatieve gate-spanningen te genereren voor het uitschakelen van de D-mode HEMTs zal een soort ladingspomp op de chip geïntegreerd moeten worden.

Om een voldoende gate-uitsturing te realiseren (voor beide spanningspolariteiten) zal wellicht een hoogspannings IC technologie nodig zijn. Een mogelijke kandidaat is bijv. de 50V 0.35um I3T “smart power” technologie van ON Semiconductor. In eerste instantie zal het ontwerp van de driver chip op schema-niveau gebeuren, waarbij uitgebreide circuit-simulaties een optimalisatie van de architectuur en de transistordimensies toelaten, maar finaal zal ook de fysische layout van de chip getekend worden. Voor het ontwerp, de simulatie en de layout van deze chip beschikt het CMST laboratorium over alle nodige CAD-tools.


Trefwoorden:

GaN, HEMT, energie-omzetter, IC ontwerp, driver chip

Locatie:

Ardoyen CMST + thuis.