基于GaN器件的固态射频电源应用研究

随着电力电子技术的发展,射频电源由电子管电源发展成现在的晶体管射频电源。氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度以及高导通的AlGaN/GaN异质结二维电子气2DEG(two-dimensional electrons gas)等优点。GaN功率器件与硅(Si)功率器件相比,具有导通阻抗低,输入、输出电容小等特性,这些特性使得GaN功率器件高开关速度、低损耗。在E类功率射频电源的基础上,采用GaN功率器件设计制作了一款开关频率为4 MHz、功率可调的全固态射频电源实验样机。通过电路的设计和优化,样机的输出功率为21.4 W时,效率达到了96.7%;同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,实验数据验证了GaN器件开关速度快、损耗低,可大幅度提高射频电源的效率。     

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。     

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。     

半导体GaN功率开关器件的结构改进

针对现有的光伏逆变器半导体GaN（氮化镓,Gallium nitride）功率开关器件以难以适应现代电力电子系统高要求的问题,提出一种光伏逆变器半导体GaN功率开关器件结构改进方法。由于集电极-发射极击穿电压和饱和压降是衡量器件可靠性的重要指标,因此采用绝缘栅混合阳极二极管取代平面肖特基势垒二极管,解决集电极-发射集击穿电压和饱和压降输出不合理问题。改进后的器件阳极由肖特基栅极和欧姆阳极金属短接组成,阴极为欧姆金属;改进器件制作主要采用隔离、钝化、凹槽刻蚀、介质淀积等工艺,更好地实现功率开关和功率转换功能。经测试分析可知：改进后的功率开关器件能有效减少反向饱和漏电状况,且改进器件的温度与电压、比导通电阻成正比,高温下性能良好。     

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。     

4H-SiC肖特基势垒二极管结终端刻蚀技术研究

碳化硅(SiC)材料在高温、高压、大功率等器件领域有着广阔的应用前景。结终端技术(junction terminal technology,JTT)直接影响着高压SiC肖特基势垒二极管(Schottky barrier diodes,SBD)的耐压性能,而刻蚀技术又是制备结终端结构的关键技术。研究通过使用SF_6/O_2/Ar、BCl_3/Cl_2/Ar、CF_4/O_2/Ar等不同刻蚀气体体系对SiC材料进行刻蚀,经过一系列的技术优化,最终开发出硬掩蔽倾斜结合CF_4/O_2/Ar气体干法刻蚀SiC的结终端技术。该技术在改善SiC肖特基势垒二极管击穿电压方面有着积极的作用。     

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。     

第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战

氮化镓(GaN)材料具有优异的物理特性,非常适合于制作高温、高速和大功率电子器件,具有十分广阔的市场前景。Si衬底上GaN基功率开关器件是目前的主流技术路线,其中结型栅结构(p型栅)和共源共栅级联结构(Cascode)的常关型器件已经逐步实现产业化,并在通用电源及光伏逆变等领域得到应用。但是鉴于以上两种器件结构存在的缺点,业界更加期待能更充分发挥GaN性能的"真"常关MOSFET器件。而GaN MOSFET器件的全面实用化,仍然面临着在材料外延方面和器件稳定性方面的挑战。     

SiC和Si混合PiN/Schottky二极管的模拟和设计

介绍一种具有肖特基正向持性和PN结反向特性的新型整流器－混合PiN/Schottky二级管（MPS0，它速度快，击穿电压高，漏电流小，正向压降低，适合功率系统使用。理论分析了该器件的正向导通，反向阻断和击穿特性。主要考虑4H SiC，模拟和优化设计了器件的外延层掺杂浓度和厚,肖特基接触和PN结网格宽度，PN结深度和掺杂浓度等主要的结构参数。     

半导体二极管

15.肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管又叫做面垒二极管,简称肖特基二极管,常用SBD表示。它是利用金属与半导体之间的接触势垒进行工作的一种多数载流子器件。具有频率高、正向压降小等一系列优点,常用于微波混频、检波以及超高速开关电路中。 肖特基势垒二极管是通过金属与半导体接触而构成的。由于电子迁移率比空穴高,故采用N型硅或砷化镓为材料,以获得良好的频率特性。其金属材料可用金、钼、镍、钛或常用的铝。金属的基本特点是     

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。     

GaN基功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

GaN基功率电子器件因其具有开关速度快、开关频率高、工作结温高、通态电阻小、开关损耗低等优势,适合应用于新型高效、大功率等的电力电子系统。国内关于GaN基功率电子器件的研究已经取得了较为明显的进展,但与发达国家相比仍有一定的差距。为此,《电源学报》特别推出了"GaN基功率电子器件及其应用"专辑,基本涵盖GaN功率电子器件及其应用研究的热点问题,展示了不同研究机构和企业在该领域的研发现状,具有良好的学术研究和应用参考价值。     

基于GaN FETs的高频半桥谐振变换器分析与设计

随着Si材料半导体器件性能逐步达到瓶颈,宽禁带半导体器件(GaN、SiC)在诸多方面展现出了很好的性能,如低导通阻抗,小输入、输出电容等,这些特性使得GaN和SiC器件能够应用在更高的开关频率条件,从而提高系统的功率密度。针对基于GaN FETs构成的高频半桥谐振变换器进行设计,分析了高频条件下寄生电感参数对系统驱动电压及漏源极电压的影响,同时分析了高频条件下系统电压电流测量所需注意的事项及影响因素,为高频条件下GaN FETs的应用提供一定的帮助。     

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。     

A novel efficiency‐enhancement topology: GaN high‐electron mobility transistors with waveform‐modulation structure composed of Schottky diodes

To improve the power‐added efficiency (PAE) of the gallium nitride (GaN) high‐electron mobility transistor (HEMT) in radio frequency applications, this paper studies the relationship between the nonlinearity of the gate capacitance and the PAE of the GaN HEMTs. The theoretical analysis and simulation results demonstrate that the nonlinearity of the gate capacitance modulates the signal phase at the GaN HEMT input and increases the average drain current, leading to increased power consumption and reduced PAE. Then, an efficiency‐enhancement topology for GaN HEMTs that employs the waveform‐modulation effect of Schottky diodes to reduce power consumption and improve efficiency is presented. The efficiency‐enhancement topology for a 4 × 100‐μm GaN HEMT with waveform‐modulation diodes is then fabricated. Results of load‐pull test demonstrate that the novel topology can increase the PAE of the 4 × 100‐μm GaN HEMT by more than 5% at 8 GHz. The novel efficiency‐enhancement topology for GaN HEMTs proposed in this paper will be suitable for applications that demand high‐efficiency GaN HEMTs or circuits.     

宽禁带器件在1kV高频直流谐振变换器中的应用与对比

与传统硅Si(silicon)功率器件相比,第3代宽禁带功率半导体器件,如碳化硅SiC(silicon carbide)和氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件,由于具有高功率密度、耐高温和抗辐照等特点,得到了越来越广泛的应用。分析了基于SiC和GaN的2种1 kV输入、32 V/3 kW输出的LLC谐振变换器,通过仿真和实验探究了变压器匝间电容对谐振电流的影响;并采取分离谐振腔、改变变压器绕组结构的方法,减小谐振电流的畸变,保证了开关管ZVS的实现。由于大匝比变压器难以平面化,2种变换器均采用原边串联、副边并联的矩阵变压器,实现自动均压、均流,降低电压和电流应力,提高功率密度和热稳定性。为了进一步提高效率,GaN LLC变换器副边采用同步整流。最后,本文从拓扑、损耗、整机尺寸、可靠性以及功率密度等方面对比分析了这2种变换器的优缺点,为器件的选择提供了参考依据。