增强型p⁃GaN栅HEMT器件的抗辐照性能研究

为研究应用于宇航领域增强型GaN HEMT器件的抗辐照性能,制备了导通电流为20 A、击穿电压为345 V的增强型p-GaN栅HEMT器件,并分别研究了器件抗总剂量效应能力与抗单粒子效应能力。实验结果表明,研制的增强型p-GaN栅HEMT器件在辐照剂量率为1.55 rad(Si)/s、累积总剂量为300 krad(Si)的条件下,器件的阈值电压保持不变,同时器件在传能线密度为37.3 MeV/(mg·cm^(2))的离子辐照下,仍然实现了大于300 V的击穿电压。表明研制的增强型p-GaN栅HEMT器件具有良好的抗辐照能力。

P-GaN栅结构GaN基HEMT器件研究进展

增强型氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)是高频高功率器件与开关器件领域的研究热点,P-GaN栅技术因具备制备工艺简单、可控且工艺重复性好等优势而成为目前最常用且唯一实现商用的GaN基增强型器件制备方法。首先,概述了当前制约P-GaN栅结构GaN基HEMT器件发展的首要问题,从器件结构与器件制备工艺这2个角度,综述了其性能优化举措方面的最新研究进展。然后,通过对研究进展的分析,总结了当前研究工作面临的挑战以及解决方法。最后,对未来的发展前景、发展方向进行了展望。

增强型Cascode结构GaN HEMT器件中子辐照效应研究

为探究增强型共源共栅(Cascode)结构GaN HEMT器件的中子辐照效应及机理,首先利用归一化能量为1 MeV、注量为1×10^(14) n/cm^(2)的中子源开展辐照效应试验,并对辐照前/后器件的电学特性进行测试,结果表明,经过中子辐照后,器件的阈值电压发生明显的负向漂移,且跨导峰值减小。后续又分别对器件中级联的增强型Si MOSFET和耗尽型GaN HEMT开展Geant4能量沉积仿真和TCAD辐照损伤仿真,结果表明,增强型Si MOSFET的能损和电学性能退化较为严重。其原因是:中子辐照对器件造成位移损伤,且产生的次级重核对器件造成电离损伤,引起Si/SiO_(2)交界处电场强度上升及内部载流子浓度降低,从而导致阈值电压负漂及饱和漏极电流下降。研究结果可为增强型Cascode结构GaN HEMT器件在辐射环境下的应用提供理论参考。

GaN器件辐照效应与LDO电路的单粒子敏感点协同设计研究

创新地开展p型栅GaN器件的单粒子辐照与建模研究,提取的单粒子激励电流被加载用于全GaN的低压差线性稳压器(LDO)稳压电路的单粒子设计中,获得了该电路单粒子敏感节点,最终得到该节点在重载状态与轻载状态时对应的单粒子瞬态(SET)响应分别为500 mV/60 ns,1210 mV/60 ns。上述研究建立起GaN器件-全GaN基电路的T-CAD/SPICE单粒子效应协同设计方法。

共栅共源结构GaN HEMT开关模型

为了计算共栅共源结构高压氮化镓(GaN)器件开关损耗,提出一种共栅共源结构GaN器件开关过程及损耗模型.通过考虑共栅共源结构中印制电路板(PCB)和引线寄生电感以及器件结电容,得出共栅共源结构GaN器件的等效电路模型,进而得到测试开关特性的双脉冲等效电路.按时间顺序将开通过程分为5个阶段,将关断过程分为4个阶段,对双脉冲等效电路进行分析和简化,并计算得出各个阶段中共栅共源结构GaN器件电压电流时域表达式,从而得到开关过程波形及损耗.在不同驱动电阻和开关电流下进行双脉冲实验,模型与实验的开关波形及损耗较吻合,表明所提出模型较准确.

增强型GaN HEMT器件的实现方法与研究进展

考虑到实际应用对可靠性、设计成本及能耗的要求,增强型GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件比传统耗尽型GaN HEMT器件优势更显著。目前有许多方法可以实现增强型GaN HEMT器件,如使用p型栅技术、凹栅结构、共源共栅(Cascode)结构、氟离子处理法、薄势垒AlGaN层以及它们的改进结构等。分别对使用以上方法制备的增强型GaN HEMT器件进行了综述,并对增强型GaN HEMT器件的最新研究进展进行了总结,探索未来增强型GaN HEMT器件的发展方向。

Cascode型GaN HEMT输出伏安特性及其在单相逆变器中的应用研究

近年来随着氮化镓器件制造工艺的迅速发展,氮化镓高电子迁移率晶体管(Ga N HEMT)已经开始应用在电力电子领域。高压共源共栅(Cascode)Ga N HEMT的出现使得Ga N器件可以在高压场合进行应用。本文首先研究了耗尽型Ga N HEMT及Cascode Ga N HEMT全范围输出伏安特性及其特点。结合Si MOSFET和耗尽型Ga N HEMT的特性,本文重点研究了Cascode Ga N HEMT的工作模态及其条件。最后,给出了500W基于600V Cascode Ga N HEMT单相全桥逆变器的实验验证。实验结果和仿真验证证明了理论分析的正确性。

增强型AlGaN/GaN HEMT势垒层优化设计

为研究Al_xGa_(1-x)N势垒层的厚度和Al组分变化对增强型HEMT器件电学特性的影响,文中使用ATLAS软件,利用二元有限元方法,设计了带AlGaN缓冲层的P-GaN栅增强型AlGaN/GaN HEMT的基本结构,提取了器件势垒层厚度和Al组分渐变时的电学特性,仿真结果得出器件的势垒层厚度范围为取15~20 nm,Al组分范围取0.2~0.25时器件特性最优。

高场应力及栅应力下AlGaN/GaN HEMT器件退化研究

采用不同的高场应力和栅应力对AlGaN/GaN HEMT器件进行直流应力测试,实验发现:应力后器件主要参数如饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压等均发生了明显退化,而且这些退化还是可以完全恢复的;高场应力下,器件特性的退化随高场应力偏置电压的增加和应力时间的累积而增大;对于不同的栅应力,相对来说,脉冲栅应力和开态栅应力下器件特性的退化比关态栅应力下的退化大.对不同应力前后器件饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压的分析表明,AlGaN势垒层陷阱俘获沟道热电子以及栅极电子在栅漏间电场的作用下填充虚栅中的表面态是这些不同应力下器件退化的主要原因.同时,不同栅应力下器件的退化表明,钝化只是把短时间的电流崩塌问题转化成了长时间的退化问题,它并不能从根本上完全解决AlGaN/GaN HEMT的可靠性问题.