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肖特基型p-GaN栅HEMT中漏极依赖双向动态阈值电压漂移的全范围研究
Full-Range Investigation of Drain-Dependent Bidirectional Dynamic Threshold Voltage Shift in Schottky-Type p-GaN Gate HEMT
| 作者 | Muqin Nuo · Ming Zhong · Zetao Fan · Yunhong Lao · Lifeng Liu · Maojun Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 肖特基型p-GaN栅HEMT 动态阈值电压 漏极应力 栅极应力 阈值电压漂移 |
语言:
中文摘要
本研究采用基于梯形波的提取方法，对肖特基型 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管（HEMT）中与漏极相关的动态阈值电压（$V_{\text {th}}$）进行了研究，揭示了漏极应力（$V_{\text {DS - off}}$）、栅极应力（$V_{\text {GS - on}}$）以及测量$V_{\text {th}}$时的漏极偏压（$V_{\text {DS - M}}$）的综合影响。在研究的第一部分，通过使用$V_{\text {GS - off}}$/$V_{\text {GS - on}} = 0$ V / +3 V 来最小化栅极应力的影响。当$V_{\text {DS - off}}$/$V_{\text {DS - M}} = 390$ / 380 V 时，器件表现出严重的栅极/漏极耦合势垒降低（GDCBL）效应，表现为$V_{\text {th}}$负向偏移 - 0.65 V。当$V_{\text {DS - off}}$/$V_{\text {DS - M}} = 390$ / 1 V 时，器件的浮动 p - GaN 层存在负电荷存储现象，表现为$V_{\text {th}}$正向偏移 +0.87 V。在第二部分，通过使用$V_{\text {GS - off}}$/$V_{\text {GS - on}} = - 3$ V / +6 V 引入栅极应力的影响，预计这会加剧负电荷存储效应。当$V_{\text {DS - off}}$/$V_{\text {DS - M}} = 390$ / 380 V 时，器件的$V_{\text {th}}$负向偏移较小，为 - 0.23 V。当$V_{\text {DS - off}}$/$V_{\text {DS - M}} = 390$ / 1 V 时，器件的$V_{\text {th}}$正向偏移较大，为 +1.35 V。结果表明，在开关过程中，器件的动态$V_{\text {th}}$会随$V_{\text {DS}}$双向变化，且这种偏移受器件的工作条件（即器件是作为标准功率开关（SW）还是场效应整流器工作）的影响很大。
English Abstract
In this study, the drain-dependent dynamic V_ th in Schottky-type p-GaN gate HEMT is investigated using a trapezoid-wave-based extraction method, revealing the combined influences of drain stress ( V_ DS-off ), gate stress ( V_ GS-on ), and the drain bias, at which V_ th is measured ( V_ DS-M ). In the first part of study, the effect of gate stress is minimized by using V_ GS-off / V_ GS-on =0 V/+3 V. With V_ DS-off / V_ DS-M =390 /380 V, the device exhibits a severe gate/drain coupled barrier lowering (GDCBL) effect, as is manifested by a negative V_ th shift of −0.65 V. With V_ DS-off / V_ DS-M =390 /1 V, the devices suffer from a negative charge storage in the floating p-GaN layer, as manifested by a positive V_ th shift of +0.87 V. In the second part, the effect of gate stress is included by using V_ GS-off / V_ GS-on= -3 V/+6 V, which is expected to add to the negative charge storage effect. With V_ DS-off / V_ DS-M =390 /380 V, the device exhibits a smaller negative V_ th shift of −0.23 V. With V_ DS-off / V_ DS-M =390 /1 V, the device exhibits a larger positive V_ th shift of −1.35 V. The result indicates that the dynamic V_ th of the device varies bidirectionally with V_ DS in a switching process, and the shift is highly influenced by the operation condition of the device [i.e., whether the device is operated as a standard power switch (SW) or a field-effect rectifier].
S
SunView 深度解读
从阳光电源光伏逆变器和储能系统的核心器件应用角度，这项关于肖特基型p-GaN栅HEMT动态阈值电压特性的研究具有重要参考价值。GaN HEMT作为新一代宽禁带功率半导体，其高频、高效、高功率密度特性正是我们逆变器和储能变流器实现小型化、高效化的关键使能技术。
该研究揭示的双向动态阈值漂移现象直接关系到器件在实际开关应用中的可靠性。研究发现，在高压关断（390V）条件下，根据测量偏置不同，阈值可能出现-0.65V到+0.87V的显著漂移。这种漂移对我们的逆变器设计至关重要：负向漂移可能导致器件误导通，影响系统安全；正向漂移则会增加导通损耗，降低转换效率。特别是在储能系统的双向功率变换场景中，器件既作为开关又作为场效应整流器工作，动态阈值的不确定性将直接影响系统的往返效率和长期稳定性。
论文提出的梯形波提取方法为我们评估和筛选GaN器件供应商提供了新的测试维度。研究表明，栅极应力和漏极应力的耦合效应会显著改变器件特性，这提示我们在驱动电路设计时需要更精细地控制栅极电压范围和开关时序，以抑制有害的电荷存储效应。
从技术成熟度看，该研究仍处于机理分析阶段，距离形成工业级解决方案尚需时日。但对阳光电源而言，这为我们与上游GaN芯片厂商的联合开发提供了明确方向，特别是在1500V光伏系统和高压储能应用中，优化p-GaN结构设计以抑制动态阈值漂移，将成为提升产品竞争力的关键突破口。