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650-V肖特基p型GaN HEMT在反向导通应力下的可靠性评估
Reliability Assessment of 650-V Schottky p-GaN HEMTs Under Reverse Conduction Stress
| 作者 | M. Millesimo · C. Fiegna · S. A. Smerzi · F. Iucolano · M. Cioni · A. Russo |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 GaN器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN基高电子迁移率晶体管 反向导通模式 退化机制 阈值电压漂移 导通电阻漂移 |
语言:
中文摘要
基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率晶体管(HEMT)能够在反向导通模式下高效运行,无需本征反并联二极管,从而降低了功率损耗并实现了更高的开关频率。本研究针对具有不同栅极几何形状的器件,探究了肖特基p - GaN栅极HEMT(SP - HEMT)在反向导通模式下的退化机制。研究评估了阈值电压漂移($\Delta {V}_{\text {TH}}$)、导通电阻漂移($\Delta {R}_{\text {ON}}$)以及器件在一系列温度($10~^{\circ }$C 至 $175~^{\circ }$C)和负漏源电压(${V}_{\text {DS}}$)条件下的寿命。结果揭示了两种不同的退化机制:第一种发生在源极侧栅极边缘的AlGaN势垒层;第二种是金属/p - GaN肖特基结处的长期过程,该过程会导致不可逆击穿。利用电流深能级瞬态谱(I - DLTS)确定了这两种机制的激活能,为影响SP - HEMT可靠性的机制的温度和电压依赖性提供了见解。
English Abstract
The GaN-based high-electron mobility transistors (HEMTs) can operate efficiently in reverse conduction mode without requiring an intrinsic antiparallel diode, reducing power losses and enabling higher switching frequencies. This study investigates degradation mechanisms in Schottky p-GaN gate HEMTs (SP-HEMTs) under reverse conduction mode on devices featuring different gate geometries. It assesses threshold voltage shift ( V_ TH ), on-resistance drift ( R_ ON ), and device lifetime across a range of temperatures ( 10~^ C– 175~^ C) and negative drain-to-source voltages ( V_ DS ). Results reveal two distinct degradation mechanisms: the first occurring in the AlGaN barrier at the source-side gate edge, and a second, a long-term process at the metal/p-GaN Schottky junction, which leads to irreversible breakdown. Activation energy for both mechanisms has been determined using current deep-level transient spectroscopy (I-DLTS), providing insights into the temperature and voltage dependencies of mechanisms affecting SP-HEMTs reliability.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于650V肖特基p-GaN HEMT器件反向导通可靠性的研究具有重要的战略意义。GaN功率器件凭借其无需反并联二极管即可高效反向导通的特性,能够显著降低功率损耗并提升开关频率,这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、高功率密度目标高度契合。
该研究揭示的两种退化机制——源侧栅极边缘AlGaN势垒层的短期退化和金属/p-GaN肖特基结的长期不可逆击穿——为我们的产品设计提供了关键的可靠性数据。特别是在10°C至175°C宽温度范围内的系统性评估,直接对应了我们产品在不同气候区的实际工作环境。阈值电压漂移和导通电阻变化的量化分析,有助于我们建立更精确的器件寿命预测模型,这对于承诺25年以上使用寿命的光伏系统至关重要。
从技术成熟度角度,650V电压等级恰好覆盖了组串式逆变器和户用储能系统的主要应用场景。然而,研究中发现的长期退化机制提示我们,在大规模商用前仍需关注:一是栅极几何结构优化以减缓退化速度;二是建立针对反向导通工况的专项可靠性测试规范;三是评估GaN器件在高频硬开关应用中的成本效益比。
这项研究为阳光电源布局下一代高频化、轻量化逆变器产品提供了重要的技术参考,特别是在储能双向变流器和车载充电等对功率密度要求极高的场景中,GaN技术的应用潜力值得深入挖掘。建议我们与器件供应商建立联合可靠性验证机制,加速技术从实验室向产品的转化。