【氮化镓】GaN SP-HEMT的栅极可靠性

概括总结：

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。