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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

硅衬底LED芯片主要制造工艺

1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来,LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处,而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势,     

基于p-GaN结构的GaN HEMT功率电子器件和数字电路单片集成技术

基于含p-GaN帽层的Si基GaN材料,实现了增强型GaN功率电子器件与数字电路单片集成技术的开发。在同一片晶圆上实现了增强型高压GaN器件、DCFL结构反相器和17级环形振荡器。高压GaN功率电子器件阈值电压VTH达到1.2 V,击穿电压V_(BD)达到700 V,输出电流I_D达到8 A,导通电阻R_(ON)为300 mΩ。基于E/D集成技术的DCFL结构反相器低噪声和高噪声容限分别为0.63 V和0.95 V;所研制17级环形振荡器在输入6 V条件下振荡频率345 MHz,级延时为85 ps。     

Si衬底GaN基功率电子材料及器件的研制

目前,采用Si上生长氮化镓(GaN)材料这一技术路线制备功率电子器件,已成为业界共识。而这一技术路线最大的挑战就是Si衬底GaN外延生长应力调控、高耐压和导通电阻稳定性控制技术。成功地制备了无裂纹、低翘曲、高导通、均一性好、耐压高的2~8英寸Si衬底GaN外延片,外延材料满足650 V功率器件要求,并在6英寸互补金属氧化物半导体(CMOS)产线上成功开发出650 V,200 mΩ的功率场效应晶体管(FET)器件。     

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。     

一种GaN功率器件驱动电路优化设计

针对GaN功率器件在应用的过程中可能出现误导通、电压尖峰与振铃、过电压、过电流等问题,通过简要分析GaN功率器件驱动回路、过电压、过电流故障问题出现原因,设计一种GaN功率器件独立拉灌输出、过电流分级保护栅极驱动电路.当GaN功率器件出现额定电流两倍以内的过电流现象时,可实现GaN功率器件快速关断;当GaN功率器件出现...     

Vertical Gallium Nitride Power Devices:Current Status and Prospects

A comprehensive review on the current status and prospects of vertical gallium nitride(GaN) power devices is presented.The paper starts with an introduction of the market potential for GaN power devices, and presents a comparison between lateral and vertical GaN power devices.Then, different high-performance vertical GaN power devices are introduced, including diodes and transistors on free-standing GaN substrates and low-cost Si substrates.The paper is concluded by elucidating the research and commercialization prospects in developing several key components of vertical GaN power devices.This relatively new area has only been explored for 3-5 years, but already seen the demonstration of a series of successful vertical power devices that outperformed lateral GaN power devices and conventional Si power devices.There are tremendous research opportunities regarding materials, physics, devices and system-level integrations of vertical GaN power devices.The vertical GaN power devices show great potential for 600 V level high-current,high-voltage and high-power applications.     

宽禁带功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

正相较于传统的硅器件,基于宽禁带半导体材料的功率电子器件在很多方面都体现出了优越的性能,符合功率变换器高效率、高工作温度及高功率密度的发展需求。近几年来,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件的制造技术发展迅速,多家公司推出了系列商业化产品,宽禁带功率电子器件及其     

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。     

半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术

测试半导体GaN功率开关器件灵敏度对掌握器件性能具有重要意义,提出一种新的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。通过分析半导体GaN功率开关器件的导通电阻与击穿电压关系、空穴电流与栅极电流关系掌握功率开关器件击穿机理,在此基础上,测试半导体GaN功率开关器件灵敏度;根据灵敏度测试原理与微频通道衰减值周期检查原理,测量功率开关器件微频信号功率和微频通道衰减值,汇总微频通道衰减值和最后一次开关灵敏时的衰减值,得到半导体GaN功率开关器件灵敏度。实验结果表明：所提测试技术测量半导体GaN功率开关器件灵敏度过程中,平均测试误差为0.03 dB,仅平均花费9.42ms,是一种高效、可靠的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。     

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.     

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。