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基于体接地耦合效应的GaN基MIS-HEMT绝缘层击穿分析
Analysis of Insulator Breakdown Induced by Body-Grounded-Coupling Effect in GaN-Based MIS-HEMT
| 作者 | Cheng-Hsien Lin · Chien-Hung Yeh · Po-Hsun Chen · Ting-Chang Chang · Ya-Huan Lee · Yu-Bo Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | D模式GaN基MIS - HEMT 击穿问题 体接地耦合效应 漏致势垒降低 绝缘层击穿行为 |
语言:
中文摘要
本研究聚焦于D模式氮化镓基金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS - HEMT)实际运行过程中出现的异常击穿问题。测量统计结果显示,体浮空器件的击穿电压(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {BD}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>达到1653 V;然而,体接地器件在1161 V时就发生了早期击穿。通过高温反向偏置(HTRB)退化机制,发现由于体接触导致沟道层能带存在差异。实验结果表明,该现象与漏致势垒降低(DIBL)相对应,导致沟道提前开启。技术计算机辅助设计(TCAD)仿真表明,与体浮空状态相比,体接地状态会导致更大的能带弯曲,并在绝缘体内部产生更高的电场,这被称为体接地耦合效应。此外,栅极和漏极迟滞动态测量证实,该效应源于缓冲层,而栅极下方的电场并不会立即影响介电层的质量。本研究提出的这一机制用于描述D模式体接地MIS - HEMT中发生的绝缘体击穿行为。
English Abstract
This study focuses on abnormal breakdown issues observed during the practical operation of D-mode GaN-based metal insulator semiconductor high electron mobility transistor (MIS-HEMT). The measurement statistics show that the breakdown voltage ( V_ BD ) of the body-floating device reaches 1653 V; however, the body-grounded device experiences early breakdown at 1161 V. Through high-temperature reverse bias (HTRBs) degradation mechanisms, a discrepancy in the energy band of the channel layer due to body contact is identified. The experimental results indicate that the phenomenon corresponds to drain-induced barrier lowering (DIBL), causing the channel to turn on early. TCAD simulations indicate that the body-grounded state causes larger energy band bending and generates a higher electric field within the insulator compared to the body-floating state, which is called the body-grounded coupling effect. Furthermore, the gate and drain lag dynamic measurement confirms that the effect originates from the buffer, while the electric field beneath the gate does not immediately affect the quality of the dielectric layer. This mechanism of this study is proposed to describe the insulator breakdown behavior that occurs in the D-mode body-grounded MIS-HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN基MIS-HEMT器件绝缘层击穿机理的研究具有重要的工程应用价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度特性,正成为我们新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向,直接影响系统的功率密度提升和成本优化。
该研究揭示的体接地耦合效应对我们的产品设计具有关键指导意义。研究发现D模式GaN器件在体接地状态下,击穿电压从1653V降至1161V,这约30%的性能衰减直接关系到我们1500V光伏系统和高压储能系统的可靠性设计裕量。研究通过HTRB测试和TCAD仿真,明确了体接地状态会导致更大的能带弯曲和绝缘层内更高电场强度,这为我们优化器件封装设计、改进栅极驱动电路和body端口管理策略提供了理论依据。
特别值得关注的是,研究指出该效应源于缓冲层而非栅极下方电场的直接影响,这为我们在器件选型和供应商技术规格制定时提供了明确的评估维度。对于阳光电源正在推进的高频化、高功率密度逆变器平台,理解DIBL效应导致的沟道提前开启机制,有助于我们制定更精准的热管理策略和过压保护方案。
从技术成熟度看,该研究仍处于机理分析阶段,但其揭示的物理本质可立即应用于我们的可靠性测试规范修订和失效分析流程优化。建议我们的功率电子研发团队与GaN器件供应商深度合作,针对体接地管理开展定制化开发,这将成为提升产品差异化竞争力的技术机遇点。