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具有抑制负向阈值电压漂移和增强抗误开启能力的分裂p-GaN栅HEMT
Split-p-GaN Gate HEMT With Suppressed Negative Vth Shift and Enhanced Robustness Against False Turn-On
| 作者 | Yunhong Lao · Jin Wei · Maojun Wang · Jingjing Yu · Zetao Fan · Junjie Yang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN栅HEMT 阈值电压漂移 误开启 分裂p-GaN栅HEMT 栅漏耦合势垒降低效应 |
语言:
中文摘要
在肖特基型 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(HEMT)的发展过程中,阈值电压($V_{\text {th}}$)不稳定一直是一个突出问题。在高漏源电压($V_{\text {DS}}$)偏置下,浮空 p - GaN 的电位会因栅/漏耦合势垒降低(GDCBL)效应而升高,从而导致明显的负阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移。在快速开关操作期间,负阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移会严重加剧误开启问题。在这项工作中,提出了一种分裂 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(SPG - HEMT),该器件能够有效抑制漏极诱导的负阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移,增强抗误开启能力。当漏源电压($V_{\text {DS}}$)为 100 V 时,传统 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(Conv - HEMT)的阈值电压($V_{\text {th}}$)负漂移达 - 0.33 V,而 SPG - HEMT 的阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移仅为 - 0.07 V。在 SPG - HEMT 中,GDCBL 效应仅发生在靠近漏极一侧的 p - GaN($p_{{2}}$)上;靠近源极的 p - GaN($p_{{1}}$)通过栅/p - GaN 肖特基结与$p_{{2}}$隔离,并且漏极偏置对$p_{{1}}$的影响被$p_{{2}}$屏蔽。随后,通过半桥开关电路评估了负阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移对误开启的影响。由于明显的负阈值电压($V_{\text {th}}$)漂移,当栅源电压($V_{\text {GS}}$)振铃峰值仍远低于静态阈值电压($V_{{\mathrm {th0}}}$)时,Conv - HEMT 就会发生误开启。相比之下,SPG - HEMT 仅在栅源电压($V_{\text {GS}}$)振铃峰值接近静态阈值电压($V_{{\mathrm {th0}}}$)时才开始出现误开启信号。总体而言,SPG - HEMT 独特的器件结构使其阈值电压($V_{\text {th}}$)负漂移可忽略不计,并增强了抗误开启的能力。
English Abstract
In the development of the Schottky-type p-GaN gate HEMT, the instable V_ th is always a highlighted problem. Under high V_ DS bias, the potential of the floating p-GaN can be raised by the gate/drain coupled barrier lowering (GDCBL) effect, inducing a noticeable negative V_ th shift. During the fast switching operation, the negative V_ th shift severely aggravates the false turn-on problem. In this work, a split-p-GaN gate HEMT (SPG-HEMT) is demonstrated to effectively suppress the drain-induced negative V_ th shift, enhancing the robustness against false turn-on. At V_ DS =100 V, the conventional p-GaN gate HEMT (Conv-HEMT) suffers a negative V_ th shift of −0.33 V, while the SPG-HEMT exhibits only a minimal V_ th shift of −0.07 V. In the SPG-HEMT, the GDCBL effect takes place only for the p-GaN near the drain side (p _2 ) ; the p-GaN near the source (p _1 ) is isolated from p2 via the gate/p-GaN Schottky junctions, and the influence of drain bias upon p1 is shielded by p2. Then, the impact of negative V_ th shift on false turn-on is evaluated by a half-bridge switching circuit. Due to the obvious negative V_ th shift, the Conv-HEMT is falsely turned on when the V_ GS ringing peak is still much lower than the static threshold voltage ( V_ {th0}) . In contrast, the SPG-HEMT starts to show false turn-on signal only when the V_ GS ringing peak is near V_ {th0} . Overall, the unique device structure of the SPG-HEMT leads to a negligible negative V_ th shift and enhances the robustness against false turn-on.
S
SunView 深度解读
从阳光电源光伏逆变器和储能系统的业务视角来看,该论文提出的分离式p-GaN栅极HEMT技术具有重要的应用价值。GaN功率器件是我们高频、高效率逆变器产品的核心部件,但传统Schottky型p-GaN栅极器件在高压偏置下存在的阈值电压负漂移问题,一直是制约其在高功率密度应用中可靠性的关键瓶颈。
该技术通过创新的分离式p-GaN结构,将GDCBL效应限制在漏极侧的p-GaN区域,有效隔离了漏极高压对源极侧p-GaN的影响。实验数据显示,在100V偏置下,阈值电压漂移从传统结构的-0.33V降低至-0.07V,这对提升我们逆变器在快速开关过程中的抗误导通能力具有直接意义。在光伏和储能系统的实际工况中,器件频繁经历高dv/dt开关瞬态,误导通会导致桥臂直通、效率下降甚至器件失效,该技术的突破将显著增强系统的动态稳定性。
从技术成熟度评估,该方案在器件层面已验证有效,但产业化应用仍需关注几个关键点:首先是分离式栅极结构对制造工艺一致性的要求,这直接影响批量生产的良率和成本;其次是该结构对器件导通电阻和开关速度等其他性能参数的影响需要系统评估;此外,在我们650V/1200V等不同电压等级平台的适配性也需要深入验证。
对阳光电源而言,这项技术为开发下一代高可靠性GaN基逆变器和储能变流器提供了重要的技术路径,特别是在追求更高功率密度和系统集成度的组串式逆变器和户用储能产品中,具有明确的应用前景。建议跟踪该技术的产业化进展,适时开展联合开发或技术引进评估。