功率循环下GaN器件栅极可靠性研究

氮化镓(GaN)功率器件长期在高功率密度工况下运行,其栅极可靠性一直是关注的重点,栅极的退化会造成器件误导通以及导通损耗增加等问题。为此,设计一个直流功率循环装置,通过功率循环的方式加速器件老化。同时为了评估栅极可靠性,采用与栅极紧密相关的阈值电压(VTH)以及栅极电容(CGS)作为特征参量,设计VTH与CGS监测电路。通过实验研究了器件栅极的温度特性、恢复特性以及在100000次功率循环后的退化情况。结果表明,随着温度的增加,VTH正向漂移,漂移量超过10%,CGS则与温度解耦保持不变。器件在功率循环后VTH存在恢复现象,前10 min恢复超过70%,在3 h后保持稳定,CGS不存在恢复特性。所选两款GaN在100000次功率循环后特征参量发生不同程度的变化,表明器件栅极在功率循环后发生了一定程度的退化。因此,有必要在设计器件及应用时考虑温度及热应力冲击所造成的栅极性能退化,优化设计工艺以提高GaN器件的可靠性。

栅极几何结构对MIS栅结构常关p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs性能的影响

高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)具有高速开关和极高击穿电场等特性,在功率器件领域应用广泛。为提高HEMT器件性能,通过实验研究了栅极几何结构对具有金属/绝缘体/半导体(MIS)栅极结构的常关型p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs性能的影响。栅极介质层采用5 nm厚的原位生长AlN,AlN/p-GaN界面呈现出更明显的能带弯曲和更宽的耗尽区,有利于阈值电压向正向偏移,且其相对较宽的能带错位有助于抑制栅极电流。实验结果表明:与栅极非覆盖区长度为0μm和6μm的MIS栅极相比,非覆盖区长度为3μm的MIS栅极可提高器件综合性能,有效抑制正向栅极电流,将阈值电压提高至3 V,并较好地保持电流密度为46 mA/mm;栅极结构中两侧没有栅极覆盖的区域在导通过程和导通状态下均可引起较大的沟道电阻,且沟道电阻随着非覆盖区长度增加而上升。

国外离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的应用与发展

栅极组件作为离子推力器的核心部件,对电推力器的性能、可靠性及寿命起着非常重要的作用。简述了离子推力器栅极几何形貌测试评价技术的主要研究内容,重点论述了国外航天技术先进国家在寿命试验中应用栅极几何形貌测试评价新技术的重要进展,总结了几何形貌测试评价技术的发展趋势。

AlGaN/GaN HEMT器件高温栅偏置应力后栅极泄漏电流机制分析

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅特性会受到温度应力和电应力的影响.在高温栅偏置(HTGB)应力下,器件的栅特性会发生退化,如栅极泄漏电流增大.为了研究退化机理,分析了AlGaN/GaN HEMT在栅电压为-2 V时,250℃高温应力作用后的栅极泄漏电流机制.随着HTGB时间的增加,栅极泄漏电流持续增大,受到应力器件在室温下静置后栅极泄漏电流密度恢复约20%.结果表明,在正向偏置范围内,栅极泄漏电流是由热电子发射(TE)引起的.在反向偏置范围内,普尔-弗伦克尔(PF)发射在小电压范围内占主导地位.阈值电压附近的范围由势垒层中的陷阱辅助隧穿(TAT)引起;在大电压范围内,福勒-诺德海姆(FN)隧穿导致栅极发生泄漏.

离子推力器碳基材料栅极研制与应用现状及启示

离子推力器是广泛应用于空间航天任务的电推力器之一,栅极在离子推力器中承担着引出离子并加速进而实现推力的作用,直接影响推力器性能及寿命。相比于传统钼栅,碳基栅极具有热膨胀系数低、耐离子溅射高等优势,是未来高比冲、大推力、长寿命离子推力器栅极的理想候选材料,已被国外部分先进离子推力器成功在轨应用。分析对比了不同栅极材料特性,调研总结了国内外碳基栅极研制过程及技术特点,并报道了作者近期在小口径不同构型C/C栅极与一体化C/C栅极研制方面的相关进展,最后针对我国离子电推进发展趋势,提出了后续碳基栅极研究的经验启示与建议。

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。

垂直氮化镓沟槽栅极场效应管的优化设计

在传统的氮化镓沟槽栅极场效应管的基础上,通过引入AlGaN层,在异质结界面处形成二维电子气减小器件的导通电阻,并对漂移层的厚度和掺杂浓度进行讨论,使用TCAD软件对器件进行设计优化。最终优化后的漂移层厚度为6μm,掺杂浓度为5×10^(16)cm^(-3)。器件获得了较低的导通电阻R_(on)=0.47 mΩ·cm^(2),较高的击穿电压V_(BR)=2880 V和品质因子FOM=17.6 GW·cm^(-2)。结果显示出了沟槽栅极垂直氮化镓场效应管在高压大电流应用场景下的优势。

基于栅极限流的SiC MOSFET栅电荷测试方案

SiC MOSFET是一种高性能的电力电子器件,其开通/关断过程中积累/释放的栅电荷Q_(g)对MOSFET的开关速度、功率损耗等参数有重要影响。通常采用在栅极设置恒流源驱动,对时间进行积分的方法来测量Q_(g)。为了降低驱动复杂度,提高测试结果精度和可视性,基于双脉冲测试平台的感性负载回路,改用耗尽型MOSFET限制栅极电流实现恒流充电,对SiC MOSFET进行测试。同时利用反馈电阻将较小的栅极电流信号转换为较大的电压信号。实验结果表明:在误差允许范围(±5%)内该测试方案能较为准确地测得SiC MOSFET的Q_(g),测试结果符合器件规格书曲线。

离子发动机栅极材料差分溅射产额分布特性仿真

针对离子发动机栅极溅射原子空间分布不明确导致栅极腐蚀模型预测偏差大的问题,采用SDTrimSP程序模拟离子轰击栅极材料的溅射过程;系统研究离子入射能量、入射角度以及离子种类对钼栅极材料差分溅射产额的影响。发现正入射条件下的差分溅射产额仿真结果与实验具有较好的一致性。重点关注斜入射条件下差分溅射产额在不同方位角下的分布轮廓,并通过Modified-Zhang公式对差分溅射产额进行拟合,以拟合结果作为材料边界条件输入溅射腐蚀—再沉积模型,较为真实地模拟了栅极材料的腐蚀过程。以上研究可为离子发动机栅极组件腐蚀形貌的精确预测提供参考。

栅极电阻对SiC MOSFET半桥电路串扰的影响

SiC MOSFET广泛应用于高频领域,这使其在半桥电路中极易发生串扰现象。实际情况中,半桥电路上、下桥臂的栅极电阻通常保持一致。然而,现有的串扰研究仅在某一桥臂的栅极电阻为定值的条件下分析另一桥臂中栅极电阻的影响,难以获取实际电路中的串扰特性。研究了SiC MOSFET半桥电路串扰特性,分析了上、下桥臂栅极电阻单独变化与同步变化对串扰的影响规律,并探究了不同共源极电感情况下栅极电阻对串扰电压的影响,最后搭建了动态特性测试平台,实验验证了理论分析的正确性。结果表明,与只改变关断器件的栅极电阻相比,上、下桥臂同步变化时串扰电压的正峰值更小,栅极电阻的取值范围也更宽,为半桥电路中SiC MOSFET的低干扰驱动设计提供了理论参考。

基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法

栅极氧化物退化是限制SiC MOSFET进一步广泛应用的关键可靠性问题。在线监测能够实时获取栅极氧化物健康状态,是提升SiC MOSFET可靠性的重要手段,因此提出一种基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法,并详细介绍了利用栅极参考电压监测栅极氧化物健康状态的基本原理;提出一种栅极参考电压在线提取电路,经脉冲测试验证可以实现在线提取,经老化试验验证可以有效监测栅极氧化物健康状态。所提电路可以集成在栅极驱动中,不会显著增加系统复杂程度。

基于声子水动力学方程分析全环绕栅极晶体管的瞬态热输运过程

相较于经典的傅里叶定律,声子水动力学模型在描述纳米尺度超快声子热输运中已经展现出显著优势.全环绕栅极晶体管(GAAFET)通过三维沟道设计极大优化了电学性能,但其纳米尺度特征也导致自热问题和局部过热的挑战.基于此,本文针对纳米尺度GAAFET器件内的声子热传输特性开展理论和数值模拟分析.首先,基于声子玻尔兹曼方程严格推导了声子水动力学模型和边界条件,建立了基于有限元的数值求解手段,针对新型的GAAFET器件,分析了表面粗糙度、沟道长度、沟道半径、栅极电介质、界面热阻等因素对其热传输特性的影响规律.研究结果表明,本文构建的连续介质框架下基于声子水动力学模型及温度跳跃条件的非傅里叶热分析方法能够精确预测GAAFET内部非傅里叶声子导热过程,并揭示声子阻尼散射和声子/界面散射的作用机制.这项工作为进一步优化GAAFET的热可靠性设计,提高其热稳定性和工作性能提供了重要的理论支持.

离子推力器栅极组件热变形测量方法

栅极组件是离子推力器的核心部件,其所包含的多层栅极结构在工作过程中会发生热变形,导致栅极间距发生改变,进而影响离子推力器的工作性能及寿命。为了实现栅极结构在实际工况下热变形的非接触测量与评估,改进和发展了基于摄像测量的栅极变形观测方法,评价了不同图像分析方法(灰度重心法、圆拟合法、灰度匹配法)对变形测量精度的影响。结果表明灰度匹配方法观测精度高,环境适应性好;同时,设计并实现了一套栅极热变形环境模拟与变形测量系统,可实现高温、通水、通气环境下变形的高精度观测。最后,对环境箱通水通气对测量精度的影响进行了评价,结果表明二者均会对测量精度造成影响,通水对实验结果的影响大于通气的影响。

栅氧老化下SiC MOSFET开通瞬态栅极振荡特性研究

栅氧老化问题已成为制约碳化硅(SiC)金属半导体氧化物场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)可靠性的关键因素,该文尝试利用SiC MOSFET高速开关在变换器中引起的高频开关振荡获取栅氧状态信息,重点研究栅氧老化对开通瞬态栅极高频振荡特性的影响。首先,分析SiC MOSFET栅氧老化机理及其对器件开通时间的影响。然后,建立开通瞬态栅极回路分阶段高频等效电路模型,揭示SiC MOSFET栅极开通振荡电流的形成机理和影响因素。最后,通过33 V高压栅偏加速老化实验进行验证。研究结果表明,随着栅氧老化程度的加深,SiC MOSFET阈值电压会逐渐增加而开通速度变慢,导致栅极开通振荡电流显著减小(约28%)。该文的工作有望为SiC MOSFET栅氧老化在线监测提供一种新的思路。

一种用于改善IGBT开关过冲的主动栅极控制技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)的广泛应用对其开关性能提出了很高的要求,传统的栅极驱动CGD(conventional gate drive)对IGBT开关过程中的电压和电流过冲调节效果有限,主要因其降低过冲总是以牺牲开关时间和开关损耗为代价。基于此,提出1种新的主动栅极驱动AGD(active gate drive)控制方法,用于抑制IGBT开关过程中产生的电流和电压过冲,其原理是在IGBT高di/dt和dv/dt阶段主动调节驱动电压,减小电流和电压的变化率,从而抑制电流和电压过冲。实验结果表明,相比传统驱动方法,所提方法可在基本不降低开关速度和不增加开关损耗的同时,显著降低IGBT开关过程中的电流和电压过冲。

全环绕栅极场效应晶体管的Ⅰ-Ⅴ模型紧凑建模

基于表面电势提出了一种无结型全环绕栅极场效应晶体管的Ⅰ-Ⅴ模型。以一维泊松方程为基础,结合相应的边界条件,采用四阶龙格库塔算法对两个解析模型中基于物理原理的非线性超越方程组依次求解,建立了表面电势、中点电势与栅极电压相关的数值模型。随后,根据数值模型中以中间参数形式表示的表面电势结果,利用Pao-Sah积分推导出全环绕栅极场效应晶体管的漏极电流。所提出的Ⅰ-Ⅴ模型结果与数值和实验数据均显示出良好的一致性,验证了该建模方法用于全环绕栅极场效应晶体管的可行性。此外,该方法实现了解析模型与数值模型的结合,在精度和效率之间实现了很好的平衡。

全包围栅极鳍式场效应管专利态势与技术发展研究

随着集成电路技术日新月异的发展,器件尺寸不断缩小,在突破10nm工艺节点后,短沟道效应等问题成为了制约场效应管发展的主要因素。全包围栅极鳍式场效应管作为3D场效应管的一个最新发展分支,由于良好的性能具备巨大的发展潜力。本文从全包围栅极鳍式场效应管基本原理出发,从全球、国内、分类号等不同维度对该领域专利的申请现状进行分析,并进一步梳理了该领域专利技术的发展脉络,对全包围栅极鳍式场效应管专利发展的前景进行了探讨和研究。

基于IGBT双脉冲测试栅极EMI抑制技术研究

针对绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)栅极电磁干扰抑制有很大的影响,选用N沟道和P沟道功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)组成的推挽栅极电路,首先,分析了含有寄生参数的给出等效电路图的IGBT模块和驱动电路中包含的寄生参数;其次,通过官方型号Infineon-FF75R12RT4的IGBT模块导入到LTspiceXVII进行仿真验证,以及基于LTspiceXVII软件仿真分析了外接串联栅极电阻和外接并联栅极电容对IGBT动态特性的影响;最后,通过仿真和试验分析了栅极驱动电路的电磁干扰(electronic-magnetic interference, EMI)发生原因和抑制方法,提出了串联栅极电阻和并联栅极电容抑制有效性,并以双脉冲试验验证了其有效性。

用于GaN基HEMT栅极金属TiN的ICP刻蚀工艺

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在射频(RF)通信及新能源汽车领域有着巨大的应用潜力。TiN材料因其良好的热稳定性、化学稳定性及工艺兼容性,可用作GaN基HEMT的栅极材料。采用ULVAC公司生产的NE-550型电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备对TiN材料进行了干法刻蚀工艺的研究。采用光刻胶作为刻蚀掩膜,Cl_(2)和BCl_(3)混合气体作为工艺气体,通过调整工艺参数,研究了ICP源功率、射频(RF)偏压功率、腔体压力、气体体积流量以及载台温度对TiN刻蚀速率和侧壁角度的影响。最后通过优化工艺参数,得到了TiN刻蚀速率为333 nm/min,底部平整且侧壁角度为81°的栅极结构。

空间在轨环境下的30cm离子推力器三栅极组件间距变化仿真分析

采用有限元仿真(FEM)与地面热平衡试验验证相结合的方法,计算并模拟了30 cm离子推力器处于在轨环境时,有、无主动热控对三栅极相对位移变化造成的影响,并对目前离子推力器设置的工作启动流程可能造成的打火风险进行了预估。结果显示:三栅极组件的热形变方向均为法向方向,且栅极中心区域的间距最小;在-269℃在轨极限环境温度下,推力器在5 kW工作模式下温度平衡后的屏栅与加速栅最大热态间距为0.14 mm,加速栅和减速栅则已发生贴合;在受太阳辐照以及卫星帆板恒温边界的影响下,栅面最低初始温度为-102℃;当推力器主动热控保证温控点为20℃时,栅面最低启动温度为-25℃,且推力器工作8000s后,屏栅与加速栅、加速栅与减速栅的最小间距分别稳定在0.25 mm和0.20 mm;当推力器主动热控保证温控点为50℃时,推力器工作9000s后,屏栅与加速栅、加速栅和减速栅最小间距分别稳定在0.31 mm和0.30 mm,能够满足0.25 mm的栅极安全打火间距要求。