新型硅功率MOSFET技术与GaN相媲美

Applied Novel Devices （AND） 是一家提供适用于分立和集成功率器件的新型半导体器件架构的供应商，其采用亚 30-µm 衬底的新型硅功率 MOSFET （ANDFET） 技术实现了行业重大突破这为快速开关和电源转换应用提供了显着优势。这些部件由美国拥有的半导体制造商和国防部认可的可信赖供应商 SkyWater Technology 制造。这种新技术提供了接近于零的反向恢复损耗，为硅带来了通常仅在氮化镓技术中才能看到的优势，同时保持了硅的成本和兼容性优势。

功率晶体管

标准硅功率晶体管具有光刻定义的特性、受处理和工艺复杂性限制的垂直厚度以及导致反向恢复损耗的寄生二极管。ANDFET 使用自对准垂直 MOSFET 架构解决了所有这些限制，以推动光刻限制并提高功率密度，新颖的薄晶体工艺可在生产就绪的 8 英寸晶圆中产生机械坚固的亚 30 微米硅，并消除寄生二极管接近理想的反向恢复特性。

AND 成立于 2008 年，总部位于德克萨斯州奥斯汀的团队实施了卓越的创新，以使硅功率 MOSFET在主流应用中得以延续。该团队包括首席执行官兼联合创始人 Leo Mathew，他曾在飞思卡尔半导体任职期间荣获 2006 年 EE Times 年度创新者奖，以表彰他对 ITFET 的创新，该技术展示了 CMOS 器件的垂直和水平通道区域。

在APEC 上，AND 展示了其提供高效电源转换的新型 Si 功率 MOSFET。Mathew 和 AND 的部分成员出席了 APEC，包括首席技术官 Rajesh Rao；Kevin Lally，半导体行业资深人士、董事会董事、早期投资者/顾问；Vishal Trivedi 是技术总监，也是《超薄体 MOSFET 和 FINFET 基础知识》一书的合著者。Trivedi 在 APEC 上展示了 ANDFET 技术的工作，并在 8 英寸晶圆代工厂中推出了具有类 GaN 性能的新型 20 微米厚硅。该技术最初针对电池保护、负载开关和 15V 至 100V 范围内的 DC/DC 转换器市场。

“如果你看一下GaN 器件，除了导通电阻 ［R DS（on） ］ 之外，最大的优势是开关性能，尤其是 ［接近零］ 反向恢复，但我们已经证明我们可以在硅，”马修说。“因为它只有 20 µm 厚，所以它的导通电阻组件也非常低。”

在业界，设计师考虑添加一个肖特基。“如果你添加一个肖特基，它会变得更加泄漏，当然，亚阈值斜率是不好的，”Trivedi 说。“我们不需要肖特基来消除反向恢复，它具有非常低的泄漏，具有非常好的 60 mV 亚阈值。”

AND 功率 MOSFET

功率 MOSFET 是专为切换高压和大电流信号而设计的分立晶体管器件，广泛用于工业、汽车和消费类应用的电源应用。这些领域对高效电源解决方案的需求不断增加，这提出了更高的挑战性要求，例如高开关频率、减少占地面积和重量以及更好的热管理。

据 AND 介绍，开发的新型 Si 功率 MOSFET 具有以下优点：

近乎零的反向恢复损耗，对于硅基器件来说是一项伟大的成就（通常只见于宽带隙技术，例如 GaN）

通过新型晶圆级封装实现标准器件和多芯片模块的缩小尺寸

电源转换应用中的更高工作频率

2× 较低的输出电荷

超低 Q OSS

低漏电流

接近理想的亚阈值斜率

低特定导通电阻（在 30-V BV DSS时低至 5 mΩ/mm 2）

低栅极驱动，低至 2.5 V（逻辑电平驱动）

亚 30 微米衬底，采用薄晶技术制造

低 R DS（on）和接近零的反向恢复可实现更高的效率，并有助于减少电源和电机控制等应用中解决方案的组件数量和总体成本。由于低 R DS（on）、低栅极驱动和低输出电荷的组合，软和谐振开关应用的性能也可以得到改善。此外，薄型设计提供了出色的热管理和更好的温度变化免疫力，并可能有助于实现固有的抗辐射特性。

据 Mathew 介绍，AND 开发了一种独特的技术，将类 GaN 性能的优势带入主流 Si MOSFET。

图 3 显示了基于 AND 新技术的器件、工业器件和具有肖特基体二极管的工业器件的传输特性曲线。根据 Mathew 的说法，ANDFET 具有行业记录、近乎理想的子器件- 阈值斜率、低栅极驱动电压和低漏电流。

图 3：不同 MOSFET 的传输特性

ANDFET 和工业功率器件的导通电阻特性比较如图 4 所示。在这里，我们可以看到与传统的 ANDFET 相比，ANDFET 表现出更低的 R DS（on）和非常低的栅极驱动 （大约 2.5 V，对应于逻辑电平电压）。

图 4：导通电阻特性

AND 专有的通道工程技术提供了卓越的品质，可以帮助电源管理系统显着减少寄生损耗。这将提高工业和消费市场中各种应用的电源管理和转换效率，包括数据中心、汽车、电动机驱动器、可再生能源系统的微型逆变器等等（图 5）。

图 5：性能与额定电压 - 功率 MOSFET

据 AND 介绍，其技术在 DC/DC 电源转换器等应用中具有明显优势。此外，由于接近零的反向恢复和低输出电容，不需要集成或独立的肖特基钳位二极管。这些提高效率的特性使该技术对传统硅基 MOSFET 通常无法处理的高频电压转换应用具有吸引力。由于这些功率 MOSFET 支持高频率，因此减小了无源元件尺寸，从而产生了微型功率模块，从而促进了系统级效率的进一步提升（图 6）。

图 6：接近零的反向恢复损耗

今年早些时候，AND 和 SkyWater 宣布，两家公司已签订许可和制造协议，以提供新的晶体管技术，为快速开关电源转换应用提供显着优势。

SkyWater 总部位于明尼苏达州布卢明顿，将生产基于新技术的硅功率器件，使 AND 能够为工业和消费应用提供 15 至 80 V 的晶圆级和标准封装产品。AND 打算扩展其产品线，包括一系列用于电动汽车、可再生能源和不同工业应用的产品，电压范围为 200 至 1，000 V。AND 还致力于在 SiC 和 GaN 中实施其专有器件架构，以实现解决一些挑战并进一步提高其性能。

在产品可用性方面，AND 正在对新的 ANDFET 进行采样，并将在 SkyWater 8 英寸晶圆厂开始大批量生产。晶圆级设备将根据当前电路板和系统的精确外形尺寸进行定制。

审核编辑：郭婷