选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究

高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷,影响器件的稳定性。首先,提出选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET,期望避免刻蚀对栅极沟道的损伤;再通过改进选择区域外延工艺(包括二次生长界面和异质结构界面的分离及抑制背景施主杂质),使得二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平。研究结果表明,选择区域外延方法能够有效保护栅极导通界面,使器件具备优越的阈值电压稳定性;同时也证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。     

GaN功率开关器件的产业发展动态

氮化镓(GaN)功率电子器件具有优异的电学特性,在高速、高温和大功率领域具有十分广阔的应用前景,满足下一代功率管理系统对高效节能、小型化和智能化的需求。P型栅和Cascode结构的常关型GaN器件已逐步实现产业化,但鉴于这两种器件结构本身存在的缺点,常关型GaN MOSFET器件方案备受关注。目前,GaN功率开关器件主要朝高频化发展,封装形式从直插型(TO)封装向贴片式(QFN)封装演变,为进一步消除寄生效应对器件高速开关特性造成的不良影响,驱动和功率器件集成的GaN功率集成电路(IC)技术被采用,单片集成的全GaN功率IC是未来的发展方向。     

GaN基电力电子器件关键技术的进展

氮化镓GaN(gallium nitride)材料非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件当中。目前,GaN功率电子器件技术方案主要分为Si衬底上横向结构器件和Ga N自支撑衬底上垂直结构器件2种。其中,横向结构器件由于制造成本低且有良好的互补金属-氧化物-半导体CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)工艺兼容性已逐步实现产业化,但是存在材料缺陷多、常关型难实现、高耐压困难以及电流崩塌效应等问题;垂直结构器件能够在不增大芯片尺寸的条件下实现高击穿电压,具有非常广阔的市场前景,也面临着材料生长、器件结构设计和可靠性等方面的挑战。基于此,主要针对这两种器件综述介绍并进行了展望。     

六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料,以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。     

具有高阈值电压和超低栅漏电的400V常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（英文）

介绍了一种采用ICP干法刻蚀技术制备的槽栅常关型AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOS-HEMT)。采用原子层淀积(ALD)实现40 nm的栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的阈值电压为+4.3 V。在栅压时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT饱和电流为0.71 A,特征导通电阻为5.73 m?·cm~2。在栅压时,器件的击穿电压为400 V,关断漏电流为320μA。器件的开启与关断电流比超过了109。在栅压为-20 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电流为1.8 n A。高的开启与关断电流比和低的栅漏电流反映了界面具有很好的质量。     

基于SiON/Al2O3叠层介质的薄势垒型HEMT栅极相关可靠性研究

氮化镓(gallium nitride,GaN)材料因其优秀的物理特性受到越来越多研究者的青睐,但常关型GaN基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)技术发展尚处于初级阶段。文中的研究对象是薄势垒常关型HEMT,该类器件可以很大程度地降低栅极区域的刻蚀损伤,因此在未来的电力电子市场中极具潜力。文中工作中制备基于SiON/Al2O3叠层栅介质的薄势垒型HEMT器件,在叠层介质的帮助下,器件的阈值电压与肖特基栅极器件几乎一致,可以实现常关型操作。其最大关态击穿电压可以达到700V,栅极耐压超过23V,在超过1000s的正栅应力测试中阈值电压漂移量小于1V。通过对其关态击穿、栅极击穿、栅极应力测试等特性的分析,对其可靠性方面有更为深入的认识,同时进一步地展现出薄势垒HEMT器件的结构优势。     

一种适用于GaN器件的谐振驱动电路

针对氮化镓(GaN)器件,传统的驱动电路是电压源型驱动,在高频下充放电回路中的寄生电感会引起栅源电压振荡,超过GaN器件的栅源耐压值,损坏GaN器件。采用谐振驱动(RGD)电路是解决上述传统驱动存在的问题的有效途径之一,利用LC谐振,在GaN器件开通和关断时提供一条低阻抗箝位路径,减小栅源电压的振荡,提供一个稳定的栅源电压。详细分析了RGD电路的工作原理,同时设计制作了1 MHz的Boost变换器原理样机,并给出了实验结果。     

AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究进展

氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。GaN基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了AlGaN/GaN异质结肖特基二极管SBD(Schottky barrier diode)目前面临的问题以及目前AlGaN/GaN异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从AlGaN/GaN异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度,介绍了各种优化SBD性能的方法。最后,对器件的未来发展进行了展望。     

绝缘栅GaN基平面功率开关器件技术

绝缘栅氮化镓(GaN)基平面功率开关器件是下一代GaN功率电子技术的最佳选择。在此从Si基GaN金属绝缘体(氧化物)半导体(MIS/MOS)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件面临的界面态和增强型栅产业化制备等方面入手,介绍了绝缘栅GaN基器件表界面态工程,高可靠栅介质及兼容互补MOS(CMOS)工艺的大尺寸Si基GaN器件制造等技术的研究进展,为绝缘栅GaN基平面功率开关器件的产业化应用奠定基础。     

增强型GaN功率器件及集成技术

针对氮化镓(GaN)功率器件的研制,采用栅区域势垒层减薄技术及p-GaN栅结构,分别研制了阈值电压2 V以上、击穿电压1 200 V以上的凹槽栅结构和阈值电压1.1 V、击穿电压350 V以上、输出电流10 A以上的p-GaN栅结构增强型GaN功率器件。同时基于栅区域势垒层减薄技术,开发了GaN增强型/耗尽型(E/D)集成技术,并展示了采用E/D集成技术研制的51级GaN环形振荡器验证电路,集成了106只晶体管,级延时仅24.3 ps。     

垂直结构氮化镓功率晶体管的材料与工艺问题

硅功率器件已接近其理论物理性能的极限。基于宽禁带半导体材料的电力电子系统能够实现更高的功率密度和电能转换效率,而具有高临界电场和载流子迁移率的氮化镓被认为是未来高功率、高频和高温应用的最有希望的候选者之一,而由品质因子给出的氮化镓基功率器件的综合性能具有大于1 000倍于硅器件的理论极限。目前已产业化的氮化镓功率晶体管主要基于水平结构,但垂直结构更有利于实现更高电压和更大电流。随着氮化镓衬底材料的逐渐成熟,近期垂直结构氮化镓功率器件成为了学术界和产业界的研究热点,并被认为是下一代650～3 300 V电力电子应用的候选器件。基于此,回顾了垂直结构氮化镓晶体管的最新进展,特别是与器件相关的材料和工艺问题,并总结了开发高性能垂直结构氮化镓功率晶体管的主要挑战。     

基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中,系统采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后,系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论,详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明,输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 k Hz的GaN基电源转换系统,在死区时间Td1=20 ns、Td2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

3 300 V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3 300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3 300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。     

SIC MOSFET在感应加热电源中的应用

目前,感应加热电源技术主要朝着大功率、高频率和智能化控制技术的方向发展。然而,随着逆变开关频率的提高,功率器件的开关损耗随之增加。具有高临界雪崩击穿电场强度、高热导率、小介电常数等突出优点的宽禁带半导体材料SiC MOSFET的应用为这一问题的解决提供了理想的方案。本文详细研究了感应加热电源逆变器的设计、SiC MOSFET器件的驱动电路以及电源的功率扩展等问题;开发出了频率超过800 kHz,单逆变桥功率超过50k W的新型感应加热电源;通过并桥处理,电源单机容量可达200 kW,在一定程度上填补了将新型SiC MOSFET器件应用于感应加热领域的空白。     

Underlying design advantages for GaN MOSFETs compared with GaN HFETs for power applications

This study investigates the underlying reasons and quantifies the advantages the GaN MOSFET has over the GaN HFET for high voltage and power applications. Calibrated simulations with equivalent material model files show that equivalent dimensioned devices are capable of producing similar on-state modes of operation, and achieve similar effective mobility at equivalent larger electric fields. However, during sub-threshold operation, the GaN MOSFET is shown to contain a much lower carrier concentration than the GaN HFET. This prolongs the breakdown avalanche effect in the GaN MOSFET (3500 V) by roughly five times larger than the GaN HFET (600 V) for devices of similar dimensions. Implementing the MOS structure can potentially resolve fundamental constraints for high voltage power applications caused by current device architects.