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系统并网技术 GaN器件 ★ 4.0

1200V E型p-GaN栅极HEMT的电荷平衡设计以提升击穿电压和动态稳定性

Charge Balance Design of 1200-V E-Mode p-GaN Gate HEMT Toward Enhanced Breakdown Voltage and Dynamic Stability

作者 Junjie Yang · Jingjing Yu · Jiawei Cui · Sihang Liu · Teng Li · Yunhong Lao
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年2月
技术分类 系统并网技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 电荷平衡设计 SJ - HEMT 击穿电压 动态导通电阻 GaN功率晶体管
语言:

中文摘要

本研究探究了蓝宝石衬底上1200 V增强型横向超结p-GaN栅高电子迁移率晶体管(SJ - HEMT)的电荷平衡设计。电荷平衡通过交替的p柱和n柱形成,其中p柱为减薄的p - GaN条带,n柱为二维电子气条带。通过调节p柱和n柱的宽度,研究了电荷平衡设计对SJ - HEMT静态和动态性能的影响。具有电荷平衡的SJ - HEMT的击穿电压(BV)达到2655 V,且击穿电压与栅漏间距(${L}_{\text {GD}}$)之比高达1.56 MV/cm。值得注意的是,SJ - HEMT能有效抑制俘获效应,该效应与两个p柱之间的间隙密切相关。在电荷平衡设计下,SJ - HEMT在高达1200 V的漏源电压(${V}_{\text {DS}}$)应力下,呈现出优异的动态导通电阻(${R}_{\text {ON}}$)与静态导通电阻(${R}_{\text {ON}}$)之比,为1.28。我们的研究还表明,缩小p柱和n柱的尺寸可进一步改善动态导通电阻性能。本研究强调了电荷平衡设计对于高性能1200 V增强型GaN功率晶体管的优势。

English Abstract

This work investigates the charge balance design of the 1200-V E-mode lateral superjunction p-GaN gate HEMT (SJ-HEMT) on sapphire substrate. The charge balance is formed through the alternative p-/n-pillars; the p-pillars are thinned p-GaN stripes, and the n-pillars are 2DEG stripes. The charge balance design on the static and dynamic performance of the SJ-HEMT was investigated by tuning the width of p-/n-pillars. The SJ-HEMT with charge balance yields a BV of 2655 V and a high BV/ L_ GD ratio of 1.56 MV/cm. Notably, the SJ-HEMT demonstrates effective suppression of trapping effects, which exhibits a strong correlation with the gap between two p-pillars. At charge balance design, the SJ-HEMT presents an excellent dynamic R_ ON /static R_ ON ratio of 1.28 under V_ DS stress up to 1200 V. Our study also indicates a scaling of p-/n-pillars can further improve the dynamic R_ ON performance. This work underscores the merits of charge-balanced design for high-performance 1200-V E-mode GaN power transistors.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项1200V增强型p-GaN栅极HEMT的电荷平衡设计研究具有重要的战略价值。该技术通过创新的横向超结结构设计,在蓝宝石基底上实现了2655V的击穿电压和1.56 MV/cm的高BV/LGD比,这一性能突破对我们的光伏逆变器和储能变流器产品线具有直接应用意义。

当前阳光电源的1500V光伏系统和储能系统正面临功率密度提升和效率优化的双重挑战。该GaN器件展现的优异特性能够有效解决这些痛点:首先,其动态导通电阻与静态导通电阻比值仅为1.28(在1200V应力下),显著优于传统硅基IGBT和碳化硅MOSFET的动态性能,这意味着在高频开关应用中能实现更低的开关损耗;其次,电荷平衡设计有效抑制了陷阱效应,这对提高逆变器在复杂工况下的可靠性至关重要。

从技术成熟度评估,该研究仍处于器件层面的优化阶段,距离产业化应用尚需突破成本、热管理和封装工艺等关键环节。蓝宝石基底虽然能实现优异的电学性能,但其导热性能较差,这对我们大功率应用场景是一个挑战。建议关注后续在硅基或碳化硅基底上的技术移植可能性。

战略机遇方面,若该技术成功商业化,可使我们的组串式逆变器和储能PCS产品在功率密度上实现20-30%的提升,同时降低系统成本。建议技术中心与该研究团队建立合作,提前布局GaN功率器件的应用技术储备,特别是在高频磁性元件设计和EMI优化方面进行协同开发。