【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】氮化鎵(GaN)材料具備禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)高、易于形成高遷移率二維電子氣等特性，是實(shí)現(xiàn)高耐壓、低損耗功率器件的理想半導(dǎo)體材料，在電力電子變換領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景。近兩年來，集成電路學(xué)院功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)展，在領(lǐng)域國際權(quán)威期刊發(fā)表多篇論文。
 

　　一、GaN/Si混并聯(lián)器件對(duì)動(dòng)態(tài)電阻退化的抑制作用及其Buck轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
 

　　團(tuán)隊(duì)通過將變換器中兩個(gè)并聯(lián)GaN HEMT的其中一個(gè)替換為相同耐壓等級(jí)但導(dǎo)通電阻略高的Si基MOSFET，系統(tǒng)的總導(dǎo)通損耗卻顯著降低[1] [2]。這一效果得益于Si MOSFET對(duì)陷阱俘獲效應(yīng)的規(guī)避，使得GaN/Si混并聯(lián)器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)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(dòng)態(tài)電阻降低了20%以上。在系統(tǒng)級(jí)層面，采用GaN/Si混并聯(lián)器件的DC-DC Buck轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)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(guān)頻率500kHz工況下，GaN/Si混并聯(lián)器件開關(guān)相較全GaN和全Si方案，效率顯著提升。
 

　　圖1 (a) 器件級(jí)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻表征實(shí)驗(yàn)裝置電路圖。(b) VCC對(duì)器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)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(zhuǎn)換器效率對(duì)比。(a) 96 -to- 48V轉(zhuǎn)換器在150 kHz的效率對(duì)比。(b) 48-to- 24V轉(zhuǎn)換器在500 kHz的效率對(duì)比。
 

　　二、p-GaN柵HEMT器件在負(fù)柵壓阻斷態(tài)下的重離子輻照可靠性實(shí)驗(yàn)研究
 

　　團(tuán)隊(duì)對(duì)增強(qiáng)型p-GaN柵HEMT的單粒子效應(yīng)進(jìn)行研究，并通過鉭(Ta)離子輻照實(shí)驗(yàn)第一次驗(yàn)證了對(duì)阻斷態(tài)器件施加負(fù)柵壓可增強(qiáng)抗單粒子效應(yīng)的能力[3]。與處于零柵壓阻斷態(tài)的對(duì)照組相比，負(fù)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)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(duì)比。
 

　　通過結(jié)合TCAD仿真工具進(jìn)一步揭示了相關(guān)機(jī)理，即施加負(fù)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(jié)、AlGaN/GaN界面以及緩沖層內(nèi)產(chǎn)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(jīng)歷過相同的輻照劑量后，處于負(fù)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(guān)態(tài)泄漏電流IDSS等電學(xué)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(shí)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(tuán)隊(duì)通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究，提出并驗(yàn)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(dǎo)通及關(guān)斷。RC偏置的ESD電路的創(chuàng)新機(jī)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(shí)避免對(duì)被保護(hù)器件的影響；其二，正向ESD動(dòng)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(shí)現(xiàn)電流泄放，將電壓鉗位到安全水平；其三，反向ESD動(dòng)態(tài)脈沖條件下，通過相似原理實(shí)現(xiàn)雙向ESD保護(hù)。
 

圖5 RC偏置ESD電路原理圖及測(cè)試PCB版照片