陈默
氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借低导通损耗、高开关频率等优势，已成为下一代功率开关应用的有力竞争者。目前肖特基型p-GaN栅HEMT已经实现商业化应用，在消费类电子中获得广泛应用。然而，目前主流的肖特基型p-GaN栅HEMT面临高压开关过程阈值电压(Vth)负漂这一重大挑战，使器件极易发生误开启，严重阻碍了肖特基型p-GaN栅HEMT在工业/汽车等领域的应用。
近日，北京大学魏进/王茂俊/沈波团队，在微电子器件领域权威学术期刊IEEE Electron Device Letters发表名为《Split-p-GaN Gate HEMT With Suppressed Negative Vth Shift and Enhanced Robustness Against False Turn-On》的学术论文，成功研制无阈值电压负漂的650V/10A增强型GaN器件。北京大学博士研究生劳云鸿为论文第一作者，魏进教授、王茂俊教授、沈波教授为论文共同通讯作者。
论文提出一种新型的栅极结构，Split-p-GaN栅HEMT（SPG-HEMT），图1a为封装器件照片，图1b为器件栅极结构的TEM照片。如图1c所示，因为p-GaN和漏极之间存在耦合电容，在高漏极偏压下传统器件的p-GaN电势会被抬高从而导致Vth负漂。如图1d所示，对于新型器件SPG-HEMT而言，靠近源极的p-GaN（p1）被靠近漏极的p-GaN（p2）屏蔽从而免受漏极高压的影响，因此p1的电势几乎不受影响。在高漏极偏压下，SPG-HEMT的Vth是由p1决定的，因此其抑制了Vth负漂。实验结果表明，在100V漏极电压下，传统器件的Vth会产生-0.33V的负漂（见图1e），而SPG-HEMT仅出现-0.07V的轻微负漂（见图1f）。
图1 （a）封装器件的照片。（b）新型栅极结构的TEM图像。（c）高漏极偏压下传统器件出现Vth负漂的物理机制解释。（d）新型器件抑制Vth负漂的物理原理解释。（e）传统器件Conv-HEMT和（f）新型器件SPG-HEMT的传输特性曲线，插图展示了不同漏极电压下的Vth漂移。
团队搭建了半桥开关电路以评估Vth负漂对器件误开启鲁棒性的影响（见图2a，2b）。误开启易发生在器件漏极电压快速变化的瞬间，一旦米勒效应导致栅极电压振荡尖峰超过Vth，器件将发生误导通，进而导致桥臂直通故障。误开启测试的波形如图2c，2d所示。由测试波形提取得到两种器件发生误开启的条件。如图2e所示，传统器件在VGS-OFF ≥ －0.4 V时就发生了误开启，因为Vth负漂加剧了误开启的风险。相比之下，由于新型器件SPG-HEMT能有效抑制Vth负漂，使其在VGS-OFF = 0 V时保持了关闭状态，只有当VGS-OFF ≥ +0.6 V时才发生了误开启（见图2f）。因此，在高压开关过程中，给SPG-HEMT施加0V栅极偏压就能避免误开启，无需负栅极偏压使该技术有望简化栅极驱动电路的设计。
图2 （a）半桥电路原理图。（b）电路板照片。 (c)-(f) 传统器件Conv-HEMT和新型器件SPG-HEMT的误开启测试结果。
综上所述，本论文提出的新型Split-p-GaN栅HEMT器件能有效抑制漏极偏压导致的Vth负漂，大幅增强了器件的误开启鲁棒性。这项技术有希望推动肖特基型p-GaN栅HEMT在工业/汽车等领域的应用。
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10856268
来源：北京大学魏进/王茂俊/沈波团队 供稿