Bilindustrin, IoT mm behöver en snabb, lättdriven komponent som kan tillverkas billigt. Vad sägs om en LDMOS-transistor som är snabb som vore den tillverkad i galliumnitrid men till en kostnad motsvarande en vertikal kiselkomponent och som dessutom kan integreras med såväl drivkrets som logik på ett gemensamt chip?

Den röda kurvan visar hur godhetstalet R_onXA (on-resistans × area) har förbättrats med den nya LDMOS-komponenten, jämfört med standard LDMOS. I spänningsintervallet 600 – 1 000 V ser vi en förbättring med en faktor 10, dvs för samma R_on och spänning har chipstorleken kunnat krympa med 1/10 vilket kraftigt minskar tillverkningskostnaden.

Halvledarutvecklaren dr Klas-Håkan Eklund har gått vidare från sin konstruktion av kaskodkopplade MOSFET och FET till en LDMOS som är snabb som en GaN-transistor, men som kan tillverkas till mindre än hälften av dess kostnad.
Tillverkningen sker i en vanlig kiselprocess. Komponenten bygger vidare på en patenterad uppfinning som ledde fram till att Klas-Håkan Eklund år 1987 grundade det amerikanska halvledarföretaget Power Integrations, tillsammans med Art Fury och Steve Sharp.

Klas-Håkan Eklund, i hans utvecklingsbolag ComHeat Microwave, presenterar nu tillsammans med sin anställde, dr Lars Vestling, fjärde generationen av sin konstruktion.

Den nya LDMOS-transistorn konkurrerar med andra switchtransistorer i segmentet 60 till 900 V. I den röda kurvan i diagrammet överst på sidan ser vi hur godhetstalet R_onxA (on-resistans × area) har förbättrats med den nya LDMOS komponenten gentemot standard LDMOS.

I spänningsintervallet 600 – 900 V, som är ett mycket viktigt område för effektkretsar, med många tillämpningar, ser vi en förbättring med en faktor 10 i en jämförelse med samma R_on och spänning.

Att chipstorleken kunnat krympas till en tiondel gör det intressant att tillverka denna effektkomponent med en kostnad motsvarende en vertikal kiselkomponent.

Den nya LDMOS-transistorn produceras i en konventionell CMOS-kiselprocess, vilket ger hög tillförlitlighet. Sammantaget leder detta till tillverkningskostnader som är mindre än hälften av vad en GaN-transistor kräver. Vi har dessutom fördelen att gate-drivningen finns ”on chip” och logik kan integreras i framtiden.

Tre komponenter kan reduceras till en med den nya tekniken.

Den nya transistorn från ComHeat kan drivas med 1,8 V, direkt från vanliga CMOS-kretsar, till skillnad från en vertikal effektkomponent som kräver minst 5 V. Därmed elimineras kostnaden för ett extra spänningsaggregat.

Eftersom transistorn är byggd i kisel blir det också möjligt att integrera LDMOS med CMOS-kretsar. Behovet av IoT-komponenter ökar och därmed står ComHeat väl förberett.

Tillverkningskostnaden för GaN är dubbelt så hög. GaN har dessutom en annan gitterkonstant än kisel och kan därför inte integreras direkt. Det kräver att kiselkretsarna för drivning och CMOS-logik läggs på isolerande substrat, vilket ger en dyrbar och komplicerad tillverkningsprocess.

Låg millerkapacitans
I diagrammet nedan visas en jämförelse mellan ComHeat Microwaves transistor (färgade kurvor) och Infineon Coolmos IPZ65R095C7 (svarta kurvor).

C_iss är ingångskapacitans, C_oss kapacitans på utgången och C_rss millerkapacitansen.

Det är i huvudsak millerkapacitansen (grön kurva) som bestämmer hur snabbt transistorn kan switcha. Som framgår är den mer än två tiopotenser mindre! Den är 0,01 pF hos den nya transistorn, att jämföra med 2 pF i de hittills bästa kiseltransistorerna.

I en GaN-transistor, GS66504B är den 0,8 pF och i en SiC-transistor är millerkapacitansen 9 pF.

En låg Miller kapacitans har också en viktig tillförlitlighets aspekt då den hindrar transistorn att slå på vid snabba spänningsspikar på drain.

Värdena är normaliserade till 100 mohm on-resistans för att kunna jämföras i följande tabell:

Laddningen i gate kan dimensioneras så att den blir väldigt låg, inte minst tack vare den låga gatespänningen. Låg gateladdning är av stor betydelse vid switchning. Dessutom kan gate-drivningen förenklas.

Switchtiderna för den nya transistorn är tre till fyra gånger kortare än för en jämförbar vertikal kiseltransistor.

Hög verkningsgrad
Diagrammet nedan ger en jämförelse mellan LDMOS från ComHeat (650 V) och en GaN-transistor där de används i en spänningshöjande omvandlare med 1 MHz switchfrekvens om 100 V inspänning.

ComHeat och GaN ligger nära varandra i verkningsgrad medan kisel ger betydligt sämre resultat.

Stegvis utveckling

Klas-Håkan Eklunds första utvecklingssteg såg ut såhär:

LDMOS generation 1.

I princip är detta en MOS-transistor kopplad i serie med en dubbelsidig JFET. Dubbelsidigheten består i det extra p-lager (p-top) som tillsammans med p-substratet bildar en dubbel kanal. Därför kan denna JFET leverera hög ström.

Ytterligare fördubbling av strömkapaciteten kom i andra generationens LDMOS. Med ett extra lager, ”n-top” fick konstruktionen en extra JFET, vilket reducerade R_on till hälften.

Andra generationens LDMOS.

Även denna transistor tillverkades Power Integrations och kom att användes i Arraytekniks matrisskrivare. Dessvärre blev just den konstruktionen inte långlivad på grund av att skrivaren smutsade ned sig själv på mycket kort tid. Arrayteknik gick i konkurs.

I en tredje utvecklingsfas delades MOSFET och JFET upp fysiskt. Fördelen var att de kunde designas oberoende av varandra.

Generation 3 – uppdelning.

Men konstruktionen kunde utvecklas så att de kunde läggas på samma substrat genom att införa ett epitaktiskt lager (p-epi).

Här sker uppdelningen med epitaxi (p-epi).

Den här tillverkades av XFAB och är idag ett EU-projekt.  Mätmässigt ger den bra resultat vid små signaler och klarar frekvenser upp till flera hundra GHz. Men vid större signaler visade sig begränsningar.

Klar för serieproduktion
Förbättringar av generation tre ledde till fjärde generationens LDMOS som nu är klar att serietillverkas av någon part. SPICE-modeller är utvecklade med utgångspunkt i TCAD-data.

Klas-Håkan Eklund förhandlar för närvarande med ett antal stora halvledarföretag. När komponenten kommer i serieproduktion kan den bli mycket attraktiv att använda i spänningsomvandlare. Den klarar stora spänningar och strömmar men drivs direkt av CMOS. Eftersom det handlar om en lateral transistor, LDMOS, byggd på kisel, kan den lätt integreras med logik.
Gunnar Lilliesköld, Elektronik i Norden

Fotnot:
Projektet har delvis stötts av Vinnova i EU projektet
E!11654,ENEFRF, Energy Efficient PET Cancer Diagnostics:
Novel RF source for Radioisotope Production.
(Uppsala University, GEMS PET systems AB, ComHeat
Microwave AB)

Övrig deltagare
Ampegon (CH)
Mittuniversitetet i Sundsvall, där Elektronikinstitutionen har utfört simuleringar med hjälp av Spice-modeller

Filed under: SvenskTeknik, Teknikartiklar