Команда Пекинского университета успешно разработала GaN-устройство 650 В/10 А в режиме обогащения без отрицательного дрейфа порогового напряжения
2025-05-28
Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN) стал сильным конкурентом для следующего поколения приложений силовых переключателей благодаря своим преимуществам, таким как низкие потери проводимости и высокая частота переключения. В настоящее время затворы HEMT p-GaN типа Шоттки поступили в продажу и широко используются в потребительской электронике. Однако нынешний основной затвор HEMT p-GaN типа Шоттки сталкивается с серьезной проблемой отрицательного дрейфа порогового напряжения ( Vth ) во время переключения высокого напряжения , что делает устройство очень склонным к ложному запуску, серьезно затрудняя применение затворов HEMT p-GaN типа Шоттки в промышленности/автомобилестроении и других областях.
Недавно команда Вэй Цзинь, Ван Маоцзюнь и Шэнь Бо из Пекинского университета опубликовала научную статью под названием Split-p-GaN Gate HEMT с подавленным отрицательным сдвигом Vth и повышенной устойчивостью к ложному включению в авторитетном академическом журнале IEEE Electron Device Letters в области микроэлектронных устройств, успешно разработав 650 В/10 А улучшенное устройство GaN без дрейфа отрицательного порогового напряжения. Докторант Пекинского университета Лао Юньхун является первым автором статьи, а профессор Вэй Цзинь, профессор Ван Маоцзюнь и профессор Шэнь Бо являются соавторами статьи.
В статье предлагается новая структура затвора, Split-p-GaN gate HEMT (SPG-HEMT). Рисунок 1a представляет собой фотографию упакованного устройства, а рисунок 1b представляет собой фотографию TEM структуры затвора устройства. Как показано на рисунке 1c, поскольку между p-GaN и стоком имеется конденсатор связи, потенциал p-GaN традиционного устройства будет повышен при высоком смещении стока, что приведет к отрицательному дрейфу V th . Как показано на рисунке 1d, для нового устройства SPG-HEMT, p-GaN (p1), близкий к истоку, экранирован p-GaN (p2), близким к стоку, чтобы избежать высокого напряжения стока, поэтому потенциал p1 практически не изменяется. При высоком смещении стока V th SPG-HEMT определяется p1, поэтому он подавляет отрицательный дрейф V th . Экспериментальные результаты показывают, что при сток-напряжении 100 В V th традиционного устройства будет создавать отрицательный дрейф -0,33 В (см. Рисунок 1e), в то время как SPG-HEMT имеет лишь небольшой отрицательный дрейф -0,07 В (см. Рисунок 1f).
Рисунок 1 (a) Фотография корпусированного устройства. (b) Изображение новой структуры затвора, полученное с помощью ПЭМ. (c) Объяснение физического механизма отрицательного дрейфа Vth в обычных устройствах при высоком смещении стока. (d) Объяснение физического принципа подавления отрицательного дрейфа Vth в новых устройствах . (e) Кривые передаточной характеристики обычного устройства Conv-HEMT и (f) нового устройства SPG-HEMT, со вставкой, показывающей дрейф Vth при различных напряжениях стока .
Команда построила полумостовую схему переключения для оценки влияния отрицательного дрейфа V th на устойчивость ложного включения устройства (см. рисунки 2a и 2b). Ложное включение склонно происходить в момент, когда напряжение стока устройства быстро меняется. Как только эффект Миллера заставляет всплеск колебаний напряжения затвора превышать V th , устройство будет ложно включено, что приведет к прямому сбою плеча моста. Формы сигналов теста ложного включения показаны на рисунках 2c и 2d. Условия ложного включения двух устройств были извлечены из тестовых форм сигналов. Как показано на рисунке 2e, обычное устройство ложно включалось, когда V GS-OFF ≥ -0,4 В, поскольку отрицательный дрейф V th усиливал риск ложного включения. Напротив, поскольку новое устройство SPG-HEMT может эффективно подавлять отрицательный дрейф V th , оно остается в выключенном состоянии, когда V GS-OFF = 0 В, а ложное включение происходит только когда V GS-OFF ≥ +0,6 В (см. Рисунок 2f). Таким образом, в процессе переключения высокого напряжения приложение смещения затвора 0 В к SPG-HEMT может избежать ложного включения. Ожидается, что эта технология упростит конструкцию схемы управления затвором без необходимости в отрицательном смещении затвора.
Рисунок 2 (a) Принципиальная схема полумостовой схемы. (b) Фотография печатной платы. (c)-(f) Результаты теста на ложное включение традиционного устройства Conv-HEMT и нового устройства SPG-HEMT.
Подводя итог, можно сказать, что новое устройство HEMT с затвором Split-p-GaN, предложенное в этой статье, может эффективно подавлять отрицательный дрейф Vth, вызванный смещением стока , что значительно повышает устойчивость устройства к ложному включению. Ожидается, что эта технология будет способствовать применению затвора HEMT с затвором p-GaN типа Шоттки в промышленности/автомобилестроении и других областях.
