Published September 30, 2024 | Version v1
Journal article

A Novel Isolation Approach for GaN-Based Power Integrated Devices

Others:
Université de Sherbrooke (UdeS)
Équipe Intégration de Systèmes de Gestion de l'Énergie (LAAS-ISGE) ; Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) ; Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)
Ampère, Département Energie Electrique (EE) ; Ampère (AMPERE) ; École Centrale de Lyon (ECL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE)-École Centrale de Lyon (ECL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE)
Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications (CRHEA) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UniCA)
ANR-18-CE05-0045,C-PI-GaN,Combinaison de transistors GaN à architectures verticale et horizontale pour la conversion de puissance(2018)

Description

This paper introduces a novel technology for the monolithic integration of GaN-based vertical and lateral devices. This approach is groundbreaking as it facilitates the drive of high-power GaN vertical switching devices through lateral GaN HEMTs with minimal losses and enhanced stability. A significant challenge in this technology is ensuring electrical isolation between the two types of devices. We propose a new isolation method designed to prevent any degradation of the lateral transistor's performance. Specifically, high voltage applied to the drain of the vertical GaN power FinFET can adversely affect the lateral GaN HEMT's performance, leading to a shift in the threshold voltage and potentially compromising device stability and driver performance. To address this issue, we introduce a highly doped n+ GaN layer positioned between the epitaxial layers of the two devices. This approach is validated using the TCAD-Sentaurus simulator, demonstrating that the n+ GaN layer effectively blocks the vertical electric field and prevents any depletion or enhancement of the 2D electron gas (2DEG) in the lateral GaN HEMT. To our knowledge, this represents the first publication of such an innovative isolation strategy between vertical and lateral GaN devices.

Abstract

International audience

Additional details

Created:
January 13, 2025
Modified:
January 13, 2025