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电动汽车驱动 GaN器件 可靠性分析 ★ 4.0

利用p型氧化物钝化提高AlGaN/GaN MIS-HEMT的ESD可靠性

Enhanced ESD Reliability of AlGaN/GaN MIS-HEMTs Using a p-Type Oxide Passivation

作者 Mohammad Ateeb Munshi · Mehak Ashraf Mir · Mayank Shrivastava
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年5月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 AlGaN/GaN MIS - HEMTs 静电放电可靠性 p型氧化物钝化 电场峰值抑制 失效机制
语言:

中文摘要

在本研究中,我们首次展示了一种基于 p 型氧化物(AlTiO)钝化的器件级解决方案,用于提高 AlGaN/GaN 金属 - 绝缘体 - 高电子迁移率晶体管(MIS - HEMT)的静电放电(ESD)可靠性。我们进行了全面的 ESD 测试,包括采用标准传输线脉冲(TLP)以及超快传输线脉冲(VF - TLP)的关态、半开态、浮栅和反向栅 - 源极应力测试。此外,还在半开态下对漏极施加非破坏性 ESD 脉冲,以研究其对器件性能的影响。与传统的 SiN 钝化 GaN MIS - HEMT 相比,所提出的 p 型氧化物钝化显著提高了 GaN MIS - HEMT 的 ESD 可靠性。所提出的钝化方法抑制了沟道电场峰值,从而增强了关态 ESD 击穿能力。在半开态下,沟道电场峰值的抑制降低了自热效应,并且消除了热弹性应变,从而改善了 ESD 失效情况。此外,浮栅和栅 - 源极的 ESD 鲁棒性也得到了提高。浮栅失效是由热诱导引起的,而反向栅 - 源极失效则归因于碰撞电离。我们利用拉曼光谱、热反射和电致发光(EL)表征来找出使用 AlTiO 提高 ESD 可靠性的根本原因,并确定 ESD 失效机制。还使用场发射扫描电子显微镜(FE - SEM)进行了失效后分析,以确定 ESD 应力在材料层面的影响。

English Abstract

In this work, we demonstrate for the first time a device-level solution for improved electrostatic discharge (ESD) reliability of AlGaN/GaN MIS-HEMTs using a p-type oxide (AlTiO)-based passivation. Comprehensive ESD tests are conducted, including OFF-state, semi-ON-state, floating gate, and reverse gate-source stress with standard transmission line pulse (TLP), as well as very fast TLP (VF-TLP). In addition, nondestructive ESD pulses are also applied on the drain in the semi-ON-state to investigate their impact on device performance. The proposed p-type oxide passivation significantly improves ESD reliability of GaN MIS-HEMTs compared with the conventional SiN passivated GaN MIS-HEMT. The proposed passivation suppresses the channel electric field peak resulting in enhanced OFF-state ESD breakdown. In the semi-ON-state, suppression of the channel electric field peak results in the lowering of the self-heating effect and absence of the thermoelastic strain, thus improving ESD failure. Furthermore, floating gate and gate-source ESD robustness are improved as well. Floating-gate failure is thermally induced, while reverse gate-source failure is attributed to impact ionization. Raman, thermoreflectance, and electroluminescence (EL) characterization are used to find the root cause of improved ESD reliability using AlTiO and to identify the ESD failure mechanisms. Postfailure analysis using FE-SEM is also carried out to identify the material-level implications of ESD stress.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于p型氧化物钝化层的GaN MIS-HEMT静电放电(ESD)可靠性增强技术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的关键技术方向,但ESD脆弱性一直是制约其大规模应用的瓶颈。

该研究通过AlTiO p型氧化物钝化层有效抑制沟道电场峰值,在多种ESD应力模式下显著提升器件可靠性。对于阳光电源而言,这项技术的价值体现在三个层面:首先,在光伏逆变器应用中,户外安装环境面临频繁的静电威胁,增强的ESD防护能力可直接降低现场故障率,减少运维成本;其次,在储能系统的高频开关应用场景中,该技术通过降低自热效应和热弹性应变,可提升功率循环寿命,这对提高储能变流器的长期可靠性至关重要;第三,浮栅和栅源反向应力防护的改善,为开发更紧凑的功率模块设计提供了可能。

然而,技术产业化仍面临挑战。AlTiO材料的制备工艺与现有SiN钝化产线的兼容性、大规模生产的成本控制、以及与阳光电源现有GaN器件封装技术的集成验证,都需要系统性的工程开发。建议公司与该研究团队建立合作,开展针对逆变器工况的专项可靠性验证,重点评估在高温高湿环境下的长期稳定性。鉴于GaN器件在800V光伏系统和高压储能应用中的战略地位,提前布局此类ESD增强技术将为阳光电源构建差异化的产品竞争力。