英特尔GaN这么强?12英寸晶圆、3D器件面世

原创 第三代半导体风向 2021-06-15 15:06
最近,英特尔在官网表示,他们将展示首款氮化镓 (GaN) 稳压器,其优值是硅器件的10倍,峰值效率超过94%

这款稳压器最独特之处在于,采用了5项技术,将GaN功率和GaN射频晶体管,与硅PMOS的整合成一个片上系统,既可以实现高频操作,又可以实现高功率密度。而且该器件是基于12英寸硅晶圆,这在业界很少见,成本也非常有优势。

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12英寸、3D堆叠

同时实现高频、高功率

6月13-19日,英特尔将在“VLSI 技术和电路研讨会”展示4项研究成果,其中将公布首款氮化镓稳压的详细信息。

据介绍,这款稳压器采用了封装集成的低压GaN NMOS功率晶体管,其优值(FoM)比硅器件提高了5-10倍,搭配40nH电感器,可实现94.2%的峰值效率。

谈及开发该器件的初衷时,英特尔表示,他们希望开发一种器件,能够解决功率传输和射频前端难题,同时还要降低了器件成本。

这是因为在5G通信等未来需求中,传统的硅器件在高频、高功率射频功放方面性能不足,而GaAs HBT、GaAs HEMT和GaN HEMT又不适合用来制备高效功率电子器件,因为耗尽型GaAs HEMT和GaN HEMT是常开型器件,GaAs HBT是电流驱动,而不是场驱动。而混合使用这些器件,占用的PCB空间会比较大。

根据英特尔发布的论文,2020年5月他们首次在12英寸晶圆上实现了GaN和硅基CMOS的三维单片集成,而这次将要展示的稳压器是该技术的首次成果转化,因此非常值得期待。

根据论文,英特尔主要采用了5项关键技术,包括高κ技术、三维层转移、化学机械抛光、光刻技术和铜互连,前两项尤为关键。

首先,英特尔将GaN与12英寸晶圆厂中最先进的高κ介电金属栅极技术相结合,实现了增强模式操作和栅极堆叠微缩。

其次,英特尔运用了层转移的方法,以单片式将12英寸的硅基PMOS晶体管堆叠在12英寸的GaN NMOS晶体管之上。

最终,该器件可以同时实现低漏极泄漏和出色的导通电阻——在5V漏极电压下,IOFF低至100pA/μm,比肖特基栅极GaN HEMT低4个数量级以上,而导通电阻仅有610Ω-μm。

另外,它还具备出色的RF性能。在1-30GHz的频率范围内,Intel的高κ值增强模式GaN NMOS晶体管的性能明显优于GaAs和Si/SOI。

在3.5V到低至1V的电源电压范围内,该器件呈现出高功率附加效率,因此具备延长电池寿命和实现高效包络线跟踪RF功放的潜力。

与此同时,这种增强模式GaN晶体管技术还有另一个优点——那就是简化了电路架构。由于处于常闭状态,因此它不需要负电源,可以直接用电池供电驱动,从而节省了微芯片上宝贵的占位面积。

专利全球领先

超前投资氮化镓充电

其实,英特尔研发该器件并不是“心血来潮”,它在氮化镓领域有着很深的布局。

据Yole旗下KnowMade报告,英特尔、富士通和Macom在射频硅基氮化镓专利领域处于领先地位。

英特尔射频氮化镓专利全球前六

英特尔在全球都有专利布局,其中在美国和中国台湾分别有17项和20项专利正在申请中。而英特尔专利组合主要涉及用于SoC的III-N晶体管、RF开关、超短沟道长度、场板和III-N/ 硅单片集成电路。

此外,英特尔很早就看好氮化镓在功率器件中的应用。

2014 年 9 月,GaN功率器件企业Avogy获得4000万美元(约2.56亿人民币)B轮融资,该轮投资就是由英特尔领投。

Avogy是一家垂直氮化镓企业,它是最早开发氮化镓充电器的企业之一。2015年Avogy通过子公司Zolt发布了一款小巧的笔记本电脑氮化镓充电器,比传统的充电器小四倍,轻三倍,该创新还被选为2015年TiE50获奖者。

对于这笔投资,英特尔公司认为:“Avogy 的新技术可显著降低电源系统成本、尺寸和重量,这将使消费者受益,这对于各种英特尔平台(超极本、一体机和工作站)都有战略性意义。”

不过,2017年Avogy遇到了财务问题,该公司以20万美元的价格将其知识产权卖给了 NexGen。

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