【儀表網 研發快訊】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表多篇論文。
一、GaN/Si混并聯器件對動態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避，使得GaN/Si混并聯器件的動態導通電阻退化低于全GaN器件的；相比全GaN器件，GaN/Si混并聯器件的動態電阻降低了20%以上。在系統級層面，采用GaN/Si混并聯器件的DC-DC Buck轉換器的功率轉換效率甚至優于使用同等規格全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) 器件級動態導通電阻表征實驗裝置電路圖。(b) VCC對器件動態導通電阻的影響。
圖2 采用GaN/Si混并聯器件、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的對照組相比，負柵壓阻斷態下器件單粒子瞬態電流可明顯下降超過一個數量級，且呈現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，處于負柵壓阻斷態和處于零柵壓阻斷態的p-GaN柵HEMT相比，其柵電容CG、閾值電壓Vth與關態泄漏電流IDSS等電學特性的退化幅度改善明顯，展現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偏置控制泄放器件的導通及關斷。RC偏置的ESD電路的創新機理為：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，從而實現電流泄放，將電壓鉗位到安全水平；其三，反向ESD動態脈沖條件下，通過相似原理實現雙向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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