概括总结:
本文研究了氮化镓(GaN)肖特基型p-栅高电子迁移率晶体管(GaN SP-HEMT)的栅极鲁棒性和可靠性,通过一种新的电路方法评估了在实际转换器中栅极电压(VGS)过冲波形的栅极电压应力。研究发现,栅极的单脉冲失效边界(动态栅极击穿电压,BVDYN)和开关寿命在硬开关(HSW)和漏源接地(DSG)条件下表现出显著差异,并且与温度和VGS峰值有关。研究结果为p-栅GaN HEMTs的栅极可靠性和鲁棒性提供了新的定性方法,并揭示了栅极退化行为背后的物理机制。
研究背景:
GaN SP-HEMTs因其在功率电子应用中的高效率和快速开关特性而受到关注。然而,这些器件在过压条件下的栅极可靠性是一个主要问题,因为它们的栅极过压容限较小,且与传统的硅基器件相比,其退化机制不同。
研究目的:
开发一种新的电路方法来表征GaN SP-HEMTs的栅极鲁棒性和可靠性,特别是在实际应用中的栅极电压过冲应力,以提供更准确的栅极可靠性评估。
实验方法:
研究者开发了一种新的电路方法,通过在漏源回路中产生共振式的VGS过冲和脉冲宽度达到20纳秒的电感开关,来模拟实际转换器中的栅极电压过冲。使用这种方法,首次在HSW和DSG条件下获得了栅极的单脉冲失效边界(BVDYN),并通过重复的栅极过冲应力测试了栅极的开关寿命。
研究结果:
结果显示,栅极的BVDYN和开关寿命与VGS峰值、开关频率和温度有显著关系。特别是在HSW条件下,栅极的BVDYN和寿命都高于DSG条件,且在更高的温度下表现更好。
研究通过失败分析和基于物理的模拟,解释了栅极退化行为背后的时间依赖肖特基击穿机制。栅极漏电流被发现是栅极退化的主要先兆,而且在高温下,栅极的BVDYN和寿命的提高可以归因于肖特基接触退化的累积效应和电场的降低。
研究的创新点和亮点:
提出了一种新的电路方法来模拟和评估GaN SP-HEMTs在实际应用中的栅极鲁棒性和可靠性。
揭示了栅极退化行为背后的物理机制,并提供了新的定性方法。
研究结果表明,栅极的BVDYN和寿命可以通过改变工作条件(如温度和VGS峰值)来优化。
研究的意义和应用前景:
这项研究对于GaN SP-HEMTs的设计和应用具有重要意义,因为它提供了一种新的方法来评估和提高栅极的可靠性。这对于提高功率电子系统的稳定性和性能至关重要,特别是在需要快速开关和高效率的应用中。此外,这项工作还为未来的研究提供了新的视角,可能会促进更高性能GaN基器件的开发。