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北京大學團隊成功研制無閾值電壓負漂650V/10A增強型GaN器件

日期:2025-05-22 閱讀:541
核心提示:近日,北京大學魏進/王茂俊/沈波團隊,在微電子器件領(lǐng)域權(quán)威學術(shù)期刊IEEE Electron Device Letters發(fā)表名為Split-p-GaN Gate HEMT With Suppressed Negative Vth Shift and Enhanced Robustness Against False Turn-On的學術(shù)論文,成功研制無閾值電壓負漂的650V/10A增強型GaN器件。

 氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)憑借低導通損耗、高開關(guān)頻率等優(yōu)勢,已成為下一代功率開關(guān)應(yīng)用的有力競爭者。目前肖特基型p-GaN柵HEMT已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,在消費類電子中獲得廣泛應(yīng)用。然而,目前主流的肖特基型p-GaN柵HEMT面臨高壓開關(guān)過程閾值電壓(Vth)負漂這一重大挑戰(zhàn),使器件極易發(fā)生誤開啟,嚴重阻礙了肖特基型p-GaN柵HEMT在工業(yè)/汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。

近日,北京大學魏進/王茂俊/沈波團隊,在微電子器件領(lǐng)域權(quán)威學術(shù)期刊IEEE Electron Device Letters發(fā)表名為Split-p-GaN Gate HEMT With Suppressed Negative Vth Shift and Enhanced Robustness Against False Turn-On的學術(shù)論文,成功研制無閾值電壓負漂的650V/10A增強型GaN器件。北京大學博士研究生勞云鴻為論文第一作者,魏進教授、王茂俊教授、沈波教授為論文共同通訊作者。

論文提出一種新型的柵極結(jié)構(gòu),Split-p-GaN柵HEMT(SPG-HEMT),圖1a為封裝器件照片,圖1b為器件柵極結(jié)構(gòu)的TEM照片。如圖1c所示,因為p-GaN和漏極之間存在耦合電容,在高漏極偏壓下傳統(tǒng)器件的p-GaN電勢會被抬高從而導致Vth負漂。如圖1d所示,對于新型器件SPG-HEMT而言,靠近源極的p-GaN(p1)被靠近漏極的p-GaN(p2)屏蔽從而免受漏極高壓的影響,因此p1的電勢幾乎不受影響。在高漏極偏壓下,SPG-HEMT的Vth是由p1決定的,因此其抑制了Vth負漂。實驗結(jié)果表明,在100V漏極電壓下,傳統(tǒng)器件的Vth會產(chǎn)生-0.33V的負漂(見圖1e),而SPG-HEMT僅出現(xiàn)-0.07V的輕微負漂(見圖1f)。

圖1 (a)封裝器件的照片。(b)新型柵極結(jié)構(gòu)的TEM圖像。(c)高漏極偏壓下傳統(tǒng)器件出現(xiàn)Vth負漂的物理機制解釋。(d)新型器件抑制Vth負漂的物理原理解釋。(e)傳統(tǒng)器件Conv-HEMT和(f)新型器件SPG-HEMT的傳輸特性曲線,插圖展示了不同漏極電壓下的Vth漂移。

團隊搭建了半橋開關(guān)電路以評估Vth負漂對器件誤開啟魯棒性的影響(見圖2a,2b)。誤開啟易發(fā)生在器件漏極電壓快速變化的瞬間,一旦米勒效應(yīng)導致柵極電壓振蕩尖峰超過Vth,器件將發(fā)生誤導通,進而導致橋臂直通故障。誤開啟測試的波形如圖2c,2d所示。由測試波形提取得到兩種器件發(fā)生誤開啟的條件。如圖2e所示,傳統(tǒng)器件在VGS-OFF ≥ -0.4 V時就發(fā)生了誤開啟,因為Vth負漂加劇了誤開啟的風險。相比之下,由于新型器件SPG-HEMT能有效抑制Vth負漂,使其在VGS-OFF = 0 V時保持了關(guān)閉狀態(tài),只有當VGS-OFF ≥ +0.6 V時才發(fā)生了誤開啟(見圖2f)。因此,在高壓開關(guān)過程中,給SPG-HEMT施加0V柵極偏壓就能避免誤開啟,無需負柵極偏壓使該技術(shù)有望簡化柵極驅(qū)動電路的設(shè)計。

圖2 (a)半橋電路原理圖。(b)電路板照片。 (c)-(f) 傳統(tǒng)器件Conv-HEMT和新型器件SPG-HEMT的誤開啟測試結(jié)果。

綜上所述,本論文提出的新型Split-p-GaN柵HEMT器件能有效抑制漏極偏壓導致的Vth負漂,大幅增強了器件的誤開啟魯棒性。這項技術(shù)有希望推動肖特基型p-GaN柵HEMT在工業(yè)/汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。 

論文鏈接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/10856268

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