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不同状态下肖特基栅p-GaN HEMT的ESD鲁棒性
The ESD Robustness of Schottky-Gate p-GaN HEMT Under Different States
| 作者 | Yijun Shi · Dongsheng Zhao · Zhipeng Shen · Lijuan Wu · Liang He · Xingchuan Jiang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8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 | 静电放电鲁棒性 p-GaN高电子迁移率晶体管 栅极和漏极偏置 阈值电压漂移 可靠性优化 |
语言:
中文摘要
本工作系统研究了肖特基栅 p - GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）在不同栅极和漏极偏置条件下的静电放电（ESD）鲁棒性。在高 $V_{\text {DS}}$（$\ge 40$ V）条件下，栅极端的 ESD 鲁棒性严重受损，此时协同的高电压/电流会引发热失控，造成不可逆损坏。在 $V_{\text {DS}} = 5$ - 30 V 时，以陷阱为主导的 $V_{\text {TH}}$ 漂移（最高达 0.68 V）与 $1200\times N_{\text {it0}}$ 的增加相关，且这种漂移随时间部分可恢复。当漏极处于浮空状态时，以陷阱为主导的 $V_{\text {TH}}$ 漂移（约 0.47 V）与 $140\times N_{\text {it}}$ 的增加相关，且随时间几乎可完全恢复。在漏极端发生 ESD 事件时，栅极处于浮空状态的器件表现出卓越的 ESD 鲁棒性，仅伴有 0.12 V 的负 $V_{\text {TH}}$ 漂移，且人体模型静电放电耐压 $V_{\text {HBM}}$ 超过 8.61 kV。栅极偏置在关态/半开态/开态的器件的 $V_{\text {HBM}}$ 范围为 0.27 至 30 kV，其中（半开）开态配置满足 2 kV 的工业标准。本工作填补了对多应力 ESD 相互作用理解的空白，为优化 p - GaN HEMT 的可靠性提供了关键见解。
English Abstract
This work systematically investigates the electrostatic discharge (ESD) robustness of Schottky-gate p-GaN high electron mobility transistors (HEMTs) under different gate and drain bias conditions. Gate-terminal ESD robustness is severely compromised under high V_ DS ( 40 V), where synergistic high voltage/current induces thermal runaway, causing irreversible damage. At V_ DS =5 –30 V, trap-dominated V_ TH shifts (up to 0.68 V) correlate with 1200 N_ it0 increases, partially recoverable over time. With the drain in the floating state, the trap-dominated V_ TH shift (about 0.47 V) correlate with 140 N_ it increases, nearly fully recoverable over time. Under the drain-terminal ESD events, the device with the gate in floating state exhibits superior ESD robustness, accompanied by only a 0.12-V negative V _ TH shift and high V_ HBM of over 8.61 kV. The devices with gate biased at off/semi-on/on states achieve V_ HBM from 0.27 to 30 kV, with (semi-on) on-state configurations meeting 2-kV industrial standards. This work bridges the gap in understanding multistress ESD interactions, providing critical insights for optimizing p-GaN HEMT reliability.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于肖特基栅p-GaN HEMT静电放电（ESD）鲁棒性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，正逐步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，而ESD可靠性是制约其大规模应用的关键瓶颈。
该研究系统揭示了p-GaN HEMT在不同偏置状态下的ESD失效机制，为我们的产品设计提供了重要指导。研究发现，当漏极电压超过40V时，器件面临热失控风险，这与我们光伏逆变器中的高压工作环境高度相关。在实际应用中，逆变器需处理数百伏直流母线电压，理解这种高压应力下的ESD特性对优化功率模块的保护电路设计至关重要。特别值得关注的是，研究指出漏极悬空状态下器件展现出超过8.61kV的人体模型（HBM）耐压能力，这为我们在系统待机或故障保护模式下的电路拓扑优化提供了新思路。
从技术成熟度角度，该研究深入分析了陷阱效应导致的阈值电压漂移（最高0.68V）及其可恢复性，这直接关系到逆变器长期运行的参数稳定性和效率保持。研究发现部分陷阱效应可随时间恢复，这为我们开发自适应控制算法、补偿动态参数漂移提供了理论依据。
然而，将该技术转化为产品优势仍面临挑战：需要建立完整的多应力ESD测试规范，开发适配GaN器件特性的保护电路，并在系统级验证不同工况下的可靠性。这项研究为阳光电源推进GaN技术在高可靠性应用场景的落地提供了关键的失效物理基础，有助于提升我们在新一代高效能源转换系统中的技术竞争力。