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功率器件技术 GaN器件 ★ 4.0

一种用于GaN HEMT中肖特基型pGaN栅极的综合寿命模型

A Comprehensive Lifetime Model for Schottky-Type pGaN Gate of GaN HEMTs

作者 Siddhesh Gajare · Han Gao · Christopher Wong · Shengke Zhang
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 GaN高电子迁移率晶体管 冲击电离 栅极寿命模型 激活能 栅极泄漏电流
语言:

中文摘要

本文对增强型氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)在不同加速栅极电压和温度条件下开展了系统的随时间变化的栅极击穿研究。碰撞电离(I.I.)被确定为导致 p-GaN 栅极击穿失效的主要老化机制。基于碰撞电离机制,本文建立了一个全面的栅极寿命模型,以定量描述平均失效时间(MTTF)与电压和温度的关系。在不同温度范围内观察到两种不同的激活能($E_{\mathbf {a}}$)。在较低温度下,平均失效时间对温度的依赖性主要受碰撞电离系数温度依赖性的影响,导致激活能为负值。在较高温度下,热电子发射(TE)成为栅极泄漏电流($I_{\mathbf {G}}$)的主导传导机制。因此,栅极泄漏电流随温度呈指数增长,导致耗尽的 p-GaN 栅极层内产生更多的热电子,从而加速了碰撞电离失效过程。所以,栅极泄漏电流对温度的依赖性超过了碰撞电离系数的影响,使得在高温下激活能为正值。

English Abstract

A systematic time-dependent gate breakdown study was conducted on enhancement-mode GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs) under various accelerated gate voltages and temperatures. Impact ionization (I.I.) was identified as the primary wearout mechanism responsible for pGaN gate breakdown failures. A comprehensive gate lifetime model, based on the I.I. mechanism, was developed to quantitatively model the voltage and temperature dependence of mean-time-to-fail (MTTF). Two distinct activation energies (E _ a ) were observed across different temperature ranges. At lower temperatures, the temperature dependent MTTF is primarily influenced by the temperature dependence of I.I. coefficients, resulting in a negative E _ a . At higher temperatures, thermionic emission (TE) becomes the dominant conduction mechanism for the gate leakage current (I _ G ). Consequently, I _ G increases exponentially with temperature, leading to considerably more hot electrons within the depleted pGaN gate layer, which accelerates the I.I. failure process. Therefore, the temperature dependence of I _ G dominates over the effect of I.I. coefficients, yielding a positive E _ a at elevated temperatures.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于增强型GaN HEMT器件pGaN栅极寿命模型的研究具有重要的战略价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度特性,正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品实现技术跃升的关键使能技术。

该研究系统揭示了pGaN栅极的失效机制,确认碰撞电离是主要退化路径,并建立了综合性寿命预测模型。这对阳光电源的产品设计具有直接指导意义。研究发现的双激活能现象尤为关键:低温下负激活能由碰撞电离系数主导,高温下正激活能则受热电子发射引起的栅极漏电流影响。这意味着在实际应用中,高温工况(如户外光伏逆变器夏季运行)将显著加速器件退化,需要在热设计和降额使用策略上予以特别关注。

对于阳光电源而言,该模型可直接应用于产品可靠性设计阶段的器件选型和应用边界确定。通过量化电压和温度对平均失效时间的影响,可以更精确地评估GaN器件在25年光伏系统生命周期内的可靠性表现,优化栅极驱动电压设计,并制定针对性的热管理方案。这对于保持阳光电源在逆变器效率和功率密度上的竞争优势至关重要。

技术挑战在于如何将实验室加速老化数据转化为实际工况下的可靠性预测,特别是考虑到光伏和储能应用中复杂的温度循环和电压波动。建议阳光电源与上游GaN器件供应商建立深度合作,结合自身丰富的现场应用数据,验证和完善该寿命模型,形成面向新能源应用的GaN器件应用规范,巩固技术领先地位。