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采用电压安全带抑制肖特基型p-GaN栅HEMT漏极偏压诱导的阈值电压不稳定性
Suppression of Drain-Bias-Induced VTH Instability in Schottky-Type p-GaN Gate HEMTs With Voltage Seatbelt
| 作者 | Junting Chen · Haohao Chen · Yan Cheng · Jiongchong Fang · Zheng Wu · Junqiang Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2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 | 肖特基型p - 氮化镓栅HEMT 阈值电压不稳定 电压限制 短路鲁棒性 导通电阻 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种经济高效的方法，用于抑制肖特基型 p 型氮化镓（GaN）栅高电子迁移率晶体管（HEMT）中漏极偏置引起的阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>）不稳定性。所提出的器件在栅极到漏极的访问区域内的介电层上有一个与源极相连的金属层，该金属层起到电压安全带的作用，将从漏极到 p-GaN 区域的电压耦合限制在一个确定的范围内。通过调整所提出结构中的介电层厚度，在漏极电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {DS}}$ </tex-math></inline-formula>）为 400 V 时，p-GaN 区域所承受的电压电位被限制在 3.1 - 22.3 V 的范围内。在钳位电压为 3.1 V 的情况下，所提出的结构使 p-GaN 浮动特性导致的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula> 漂移显著降低了 95% 以上，同时使陷阱效应引起的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula> 漂移降低了 88%。所提出的结构还通过降低饱和电流密度提高了短路鲁棒性，同时对器件的导通电阻（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R} _{\text {ON}}$ </tex-math></inline-formula>）影响极小。所提出的结构为实际应用中平衡导通电阻（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R} _{\text {ON}}$ </tex-math></inline-formula>）和短路鲁棒性之间的权衡提供了空间。
English Abstract
A cost-effective yet efficient approach is proposed for suppressing the drain-bias-induced threshold voltage ( V _ TH ) instability in Schottky-type p-gallium nitride (GaN) gate high electron mobility transistors (HEMTs). The proposed device consists of a source-connected metal layer on a dielectric layer in the gate-to-drain access region, which operates as a voltage seatbelt that restricts the voltage coupling to the p-GaN region from the drain within a defined range. By adjusting the dielectric thickness in the proposed structure, the voltage potential experienced by the p-GaN region is confined within a range of 3.1–22.3 V at a drain voltage ( V _ DS ) of 400 V. In the scenario with a 3.1-V clamping voltage, the proposed configuration demonstrates a remarkable reduction of over 95% in V _ TH shift caused by the floating nature of p-GaN, along with a reduction of 88% in V _ TH shift induced by trapping effects. The proposed structure also enhances short-circuit robustness by reducing the saturation current density, while exerting only a minimal effect on the devices’ on-resistance ( R _ ON ). The proposed structure offers room for balancing the tradeoff between the R _ ON and the short-circuit robustness in practical applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项p-GaN栅极HEMT器件的阈值电压稳定性改进技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的"电压安全带"结构，有效解决了GaN功率器件在高压应用中的核心痛点，这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域对高可靠性功率半导体的需求高度契合。
在技术价值层面，该方案展现出三个关键优势：首先，在400V漏极电压下实现超过95%的阈值电压漂移抑制，这对于提升逆变器在宽输入电压范围下的稳定性至关重要，可直接改善我们1500V高压光伏系统的长期可靠性；其次，88%的陷阱效应引起的VTH漂移降低意味着器件在频繁开关工况下的一致性更好，这对储能系统的双向变流器应用尤为关键；第三，增强的短路耐受能力可提升系统的故障保护能力，降低现场维护成本。
从应用成熟度评估，该技术采用成本可控的工艺方案，通过调节介质层厚度即可实现性能优化，具备较好的工业化潜力。然而需要关注的是，额外金属层和介质层对器件热管理的影响，以及在实际高频开关应用中的寄生效应。对于阳光电源而言，建议与该技术团队建立合作关系，针对我们的逆变器和储能产品开展定制化验证，特别是在高温、高湿等严苛环境下的长期可靠性测试。这项技术若能成功导入，将有助于我们在新一代高功率密度产品中进一步巩固技术领先地位，提升系统级竞争力。