【儀表網 研發(fā)快訊】氮化鎵(GaN)材料具備禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、易于形成高遷移率二維電子氣等特性，是實現(xiàn)高耐壓、低損耗功率器件的理想半導體材料，在電力電子變換領域具有廣闊的市場前景。近兩年來，集成電路學院功率集成技術實驗室羅小蓉教授研究小組在GaN功率器件抗輻照、可靠性和電源模塊研究等方面取得一系列新進展，在領域國際權威期刊發(fā)表多篇論文。
一、GaN/Si混并聯(lián)器件對動態(tài)電阻退化的抑制作用及其Buck轉換器應用
團隊通過將變換器中兩個并聯(lián)GaN HEMT的其中一個替換為相同耐壓等級但導通電阻略高的Si基MOSFET，系統(tǒng)的總導通損耗卻顯著降低[1] [2]。這一效果得益于Si MOSFET對陷阱俘獲效應的規(guī)避，使得GaN/Si混并聯(lián)器件的動態(tài)導通電阻退化低于全GaN器件的；相比全GaN器件，GaN/Si混并聯(lián)器件的動態(tài)電阻降低了20%以上。在系統(tǒng)級層面，采用GaN/Si混并聯(lián)器件的DC-DC Buck轉換器的功率轉換效率甚至優(yōu)于使用同等規(guī)格全GaN器件的方案，在輸出功率240W、開關頻率500kHz工況下，GaN/Si混并聯(lián)器件開關相較全GaN和全Si方案，效率顯著提升。
圖1 (a) 器件級動態(tài)導通電阻表征實驗裝置電路圖。(b) VCC對器件動態(tài)導通電阻的影響。
圖2 采用GaN/Si混并聯(lián)器件、全GaN器件和全Si器件的Buck轉換器效率對比。(a) 96 -to- 48V轉換器在150 kHz的效率對比。(b) 48-to- 24V轉換器在500 kHz的效率對比。
二、p-GaN柵HEMT器件在負柵壓阻斷態(tài)下的重離子輻照可靠性實驗研究
團隊對增強型p-GaN柵HEMT的單粒子效應進行研究，并通過鉭(Ta)離子輻照實驗第一次驗證了對阻斷態(tài)器件施加負柵壓可增強抗單粒子效應的能力[3]。與處于零柵壓阻斷態(tài)的對照組相比，負柵壓阻斷態(tài)下器件單粒子瞬態(tài)電流可明顯下降超過一個數(shù)量級，且呈現(xiàn)更高的單粒子燒毀電壓(VSEB)。
圖3 柵壓為(a) -4V和(b) 0V時的單粒子燒毀特性。(c)不同漏極電壓與(d)不同柵極電壓下的單粒子瞬態(tài)電流曲線對比。
通過結合TCAD仿真工具進一步揭示了相關機理，即施加負柵壓能有效降低空穴載流子濃度，從而降低了單粒子瞬態(tài)電流；且輻照在肖特基結、AlGaN/GaN界面以及緩沖層內產生的類受主陷阱則可分別通過CG、Vth與IDSS的退化情況來表征。在經歷過相同的輻照劑量后，處于負柵壓阻斷態(tài)和處于零柵壓阻斷態(tài)的p-GaN柵HEMT相比，其柵電容CG、閾值電壓Vth與關態(tài)泄漏電流IDSS等電學特性的退化幅度改善明顯，展現(xiàn)出良好的輻照魯棒性。
圖4 柵壓為(a) 輻照期間沿柵疊層處的能帶示意圖。(b) 柵壓為-4V和0V時的二維空穴濃度分布圖。
三、適用于GaN功率器件的RC偏置ESD電路
團隊通過仿真與實驗研究，提出并驗證了一種適用于GaN功率器件的RC偏置ESD電路。該電路具有低靜態(tài)漏電及高泄放效率。RC偏置的ESD電路以GaN p-GaN HEMT作為泄放器件，通過電容與電阻串聯(lián)偏置控制泄放器件的導通及關斷。RC偏置的ESD電路的創(chuàng)新機理為：其一，通過在偏置電路中引入電容，可有效降低ESD電路開啟前的靜態(tài)漏電，降低功耗同時避免對被保護器件的影響；其二，正向ESD動態(tài)脈沖條件下，隨著電容的充放電，其電阻不再是無窮大。電容與偏置電路中電阻分壓使得泄放器件p-GaN HEMT開啟，從而實現(xiàn)電流泄放，將電壓鉗位到安全水平；其三，反向ESD動態(tài)脈沖條件下，通過相似原理實現(xiàn)雙向ESD保護。
圖5 RC偏置ESD電路原理圖及測試PCB版照片
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