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本文研究了氮化镓GaN肖特基型p-栅高电子迁移率晶体管GaN SP-HEMT的栅极鲁棒性和可靠性通过一种新的电路方法评估了在实际转换器中栅极电压VGS过冲波形的栅极电压应力。研究发现栅极的单脉冲失效边界动态栅极击穿电压BVDYN和开关寿命在硬开关HSW和漏源接地DSG条件下表现出显著差异并且与温度和VGS峰值有关。研究结果为p-栅GaN HEMTs的栅极可靠性和鲁棒性提供了新的定性方法并揭示了栅极退化行为背后的物理机制。
研究背景
GaN SP-HEMTs因其在功率电子应用中的高效率和快速开关特性而受到关注。然而这些器件在过压条件下的栅极可靠性是一个主要问题因为它们的栅极过压容限较小且与传统的硅基器件相比其退化机制不同。
研究目的
开发一种新的电路方法来表征GaN SP-HEMTs的栅极鲁棒性和可靠性特别是在实际应用中的栅极电压过冲应力以提供更准确的栅极可靠性评估。
实验方法
研究者开发了一种新的电路方法通过在漏源回路中产生共振式的VGS过冲和脉冲宽度达到20纳秒的电感开关来模拟实际转换器中的栅极电压过冲。使用这种方法首次在HSW和DSG条件下获得了栅极的单脉冲失效边界BVDYN并通过重复的栅极过冲应力测试了栅极的开关寿命。
研究结果
结果显示栅极的BVDYN和开关寿命与VGS峰值、开关频率和温度有显著关系。特别是在HSW条件下栅极的BVDYN和寿命都高于DSG条件且在更高的温度下表现更好。 研究通过失败分析和基于物理的模拟解释了栅极退化行为背后的时间依赖肖特基击穿机制。栅极漏电流被发现是栅极退化的主要先兆而且在高温下栅极的BVDYN和寿命的提高可以归因于肖特基接触退化的累积效应和电场的降低。
研究的创新点和亮点
提出了一种新的电路方法来模拟和评估GaN SP-HEMTs在实际应用中的栅极鲁棒性和可靠性。
揭示了栅极退化行为背后的物理机制并提供了新的定性方法。
研究结果表明栅极的BVDYN和寿命可以通过改变工作条件如温度和VGS峰值来优化。
研究的意义和应用前景
这项研究对于GaN SP-HEMTs的设计和应用具有重要意义因为它提供了一种新的方法来评估和提高栅极的可靠性。这对于提高功率电子系统的稳定性和性能至关重要特别是在需要快速开关和高效率的应用中。此外这项工作还为未来的研究提供了新的视角可能会促进更高性能GaN基器件的开发。
