Extended monolithic integration levels for highly functional GaN power ICs

Medientyp: E-Book

Titel: Extended monolithic integration levels for highly functional GaN power ICs

Beteiligte: Basler, Michael [Verfasser]; Ambacher, Oliver [Akademischer Betreuer]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2023

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Englisch

DOI: 10.6094/UNIFR/233416

Identifikator:

Schlagwörter: Galliumnitrid ; HEMT ; Leistungselektronik ; Leckstrom ; Leistungsschalter ; Power Electronics ; Gallium Nitride ; Power Integrated Circuits ; Monolithic Integrated Circuits ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: A new generation of power electronic systems with reduced size, losses and costs is emerging due to the rapid development of gallium nitride (GaN) transistors. These transistors are fabricated in the GaN-on-Si technology and have a lateral structure, which enables the monolithic integration with peripheral functions such as driver, sensing, protection, and control. In this manner, the first GaN power integrated circuits (ICs) with gate driver have successfully entered the market. This work extends the monolithic integration in the GaN technology by introducing and investigating building and function blocks for power ICs. A GaN power IC platform with devices and building blocks is investigated regarding its characteristics and its related design issues are analyzed. This leads to new design approaches and methods, which are presented in this thesis. Integration levels are introduced for the classification of GaN power ICs. Emphasis is placed on a schematic and layout design framework which provides circuit designers an effective way to implement custom power ICs. Two types of transistors and diodes as well as design approaches for layout structures with high current carrying capabilities are analyzed. Besides the investigation of active devices, also new approaches for integrated passives are introduced, such as dog bone layouts for high impedance resistors, p-GaN gate and stacked MIM capacitors as well as spiral inductors with high current carrying capabilities. Another focus is on the building blocks with digital and analog basic circuits. Area-efficient designs for logic gates with reduced static losses are presented. In addition, there are investigations into multi-stage comparators based on differential amplifiers and temperature-compensated voltage references. Based on this GaN power IC platform, two case studies are presented for a DC-DC synchronous buck converter and AC-DC active rectifier diode. The case studies on the one hand highlight the capability to implement complex functions and even systems consisting of devices and function blocks with their design approaches on a single chip and to use them advantageously for power electronics applications. Experimental measurements on implemented hardware prototypes, on the other hand, verify the advantages of highly-integrated GaN power ICs. The key findings of this work on GaN power integration are given. Beyond this comparisons of GaN and Si IC technologies as well as GaN power ICs are elaborated and perspectives, challenges and social benefits are discussed. This work contributes significantly to the progress and development of highly-integrated high-performance GaN ICs for power electronics

Abstract: Dank der raschen Entwicklung der Galliumnitrid (GaN) Transistoren entsteht eine neue Generation leistungselektronischer Systeme mit geringerer Größe, Verlusten und Kosten. Diese Transistoren werden in der GaN-auf-Si Technologie hergestellt und haben eine laterale Struktur, welche die monolithische Integration mit peripheren Funktionen wie Treiber, Sensorik, Schutzschaltungen und Steuerung ermöglicht. Auf diese Weise sind die ersten GaN integrierten Leistungsschaltungen (Power ICs) mit Gate Treiber erfolgreich auf den Markt gekommen. Diese Arbeit erweitert die monolithische Integration in der GaN Technologie durch die Einführung und Untersuchung von Bausteinen und Funktionsblöcken für Power ICs. Eine GaN Power IC Plattform mit Bauelementen und Bausteinen wird auf ihre Eigenschaften hin untersucht und die damit verbundenen Designprobleme werden analysiert. Dies führt zu neuen Entwurfsansätzen und -methoden, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. Zur Klassifizierung von GaN Power ICs werden Integrationsstufen eingeführt. Der Schwerpunkt liegt auf einem Rahmen für den Entwurf von Schaltplänen und Layouts, der Schaltungsdesignern eine effektive Möglichkeit zur Umsetzung kundenspezifischer Power ICs bietet. Es werden zwei Typen von Transistoren und Dioden sowie Designansätze für Layoutstrukturen mit hoher Stromtragfähigkeit analysiert. Neben der Untersuchung aktiver Bauelemente werden auch neue Ansätze für integrierte passive Bauelemente vorgestellt, wie z. B. Hundeknochen-Layouts für hochohmige Widerstände, p-GaN Gate- und gestapelte MIM-Kondensatoren sowie Spiralspulen mit hoher Strombelastbarkeit. Ein weiterer Fokus liegt auf den Bausteinen bestehend aus digitalen und analogen Grundschaltungen. Es werden flächen-effiziente Designs für Logikgatter mit reduzierten statischen Verlusten vorgestellt. Hinzu kommen Untersuchungen zu mehrstufigen Komparatoren auf Basis von Differenzverstärkern und temperatur-kompensierten Spannungsreferenzen. Basierend auf dieser GaN Power IC Plattform werden zwei Beispiele vorgestellt für einen synchronen DC-DC Abwärtswandler und eine AC-DC aktive Gleichrichterdiode. Die Fallstudien zeigen einerseits die Möglichkeit, komplexe Funktionen und sogar Systeme aus Bauelementen und Bausteinen mit ihren Designansätzen auf einem einzigen Chip zu implementieren und vorteilhaft für leistungselektronische Anwendungen zu nutzen. Experimentelle Messungen an realisierten Hardware-Prototypen verifizieren andererseits die Vorteile hoch-integrierter GaN Power ICs. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit zur GaN Power Integration werden gegeben. Es werden Vergleiche zwischen GaN- und Si IC-Technologien sowie GaN Power ICs ausgearbeitet und Perspektiven, Herausforderungen und gesellschaftliche Vorteile diskutiert. Diese Arbeit trägt wesentlich zum Fortschritt und zur Entwicklung von hochintegrierten und leistungsfähigeren GaN ICs in der Leistungselektronik bei

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