氮化鎵增強型晶體管第三象限浪涌能力研究
發(fā)布時間：2021-10-22 23:21
作為第三代半導(dǎo)體材料的代表,GaN具有寬禁帶、高臨界擊穿電場、高電子遷移率等優(yōu)點,因此GaN功率器件被廣泛應(yīng)用于高頻、高功率密度和高效率的電力電子變換領(lǐng)域。GaN增強型高電子遷移率晶體管（E-HEMT）具有天然對稱的橫向溝道,可以利用相同的導(dǎo)電溝道實現(xiàn)正向和反向的電流傳導(dǎo),這一點在雙向DC/DC變換器和DC/RF互轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中是非常有利的。然而,在以上的雙向變換電路中,特別是針對GaN功率器件的高頻應(yīng)用場合,快速開關(guān)過程往往伴隨著電流過沖/振蕩,要求GaN E-HEMT在第三象限具備一定的浪涌能力。但是截止目前,還沒有人對GaN E-HEMT不同于PN二極管的浪涌能力的機理進行研究。在這項工作中,我們在浪涌測試實驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合Silvaco TCAD仿真以及動態(tài)柵極漏電流（IG）特性表征實驗,評估了兩種商用GaN E-HEMT第三象限的浪涌能力,并揭示了不同門極p-GaN接觸技術(shù)和柵-源極電壓(VGS)對其浪涌能力的影響。歐姆p-GaN接觸和高的VGS,提高了空穴注入和溝道調(diào)制的效率,從而可以提高GaN E-HEMT在反...
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
SiCMOSFET體二極管在壓力前后的正向I-V特性退化曲線[29]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論7的動態(tài)特性以及導(dǎo)通損耗會產(chǎn)生負面影響。除此之外，由于SBD的比導(dǎo)通電阻與阻斷電壓的平方成比例增加，而VPN幾乎不受阻斷電壓的影響，所以相同的電流等級下，所需的SBD的尺寸大小與阻斷電壓的平方成比例增加。另一方面，相同電流等級的MOSFET為了保持熱密度一致，其尺寸大小一般與阻斷電壓成比例增加。這說明隨著阻斷電壓的增加，外部反并聯(lián)SBD的芯片尺寸的擴展要大于MOSFET[30]。比如在阻斷電壓高達6.5kV時，外部反并聯(lián)SiCSBD的尺寸已經(jīng)達到了MOSFET的3倍[31]。減小MOSFET和SBD芯片總尺寸的一個簡單方法就是將MOSFET和SBD結(jié)構(gòu)工藝集成到同一芯片中。與MOSFET加外部反并聯(lián)SBD相比，通過將SBD結(jié)構(gòu)集成到MOSFET中，可以大大減少芯片的總尺寸，從而增加功率密度，因為每個器件的外圍區(qū)域和漂移區(qū)域是共享的[30]。除此之外，為了避免MOSFET體二極管導(dǎo)通，施加在MOSFETPN結(jié)上的電壓必須小于VPN，如圖1.4所示，考慮MOSFETPN結(jié)上的電壓等于VPN的臨界情況時，針對外部反并聯(lián)在MOSFET兩端的SBD而言，其正負極之間電壓（VSDa）需要小于VPN，因為整個MOSFET上的電壓降都施加在PN結(jié)處；針對集成在MOSFET上的SBD而言，源-漏極之間的電壓（VSDb）則能高于VPN，因為部分外加電壓可以施加在與PN結(jié)串聯(lián)的漂移區(qū)和襯底電阻上，從而在不激活MOSFET體二極管的前提下，集成方案可以獲得更高的SBD電流密度。故在保證相同的電流等級情況下，集成方案可以大大減小芯片尺寸[32]。以電壓等級為6.5kV的器件為例，集成器件的尺寸僅比MOSFET本身增大了5%[31]。與MOSFET加外部反并聯(lián)SBD相比，除圖1.4(a)傳統(tǒng)MOSFET加外部反并聯(lián)SBD和(b)MOSFET集成SBD的器件橫截面示意圖[32]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論8了大大減小器件尺寸之外，集成方案還可以將封裝的數(shù)量減少一半，從而降低成本。另外，通過消除獨立封裝器件之間的寄生電感可以提高效率，進一步可以增加開關(guān)頻率[33]。與MOSFET體二極管相比，集成方案中的SBD具備低的導(dǎo)通壓降，從而確保MOSFET體二極管不會開啟，同時低的開啟電壓和導(dǎo)通壓降使得二極管續(xù)流時的損耗減小[26]。與MOSFET體二極管相比，集成方案器件的開關(guān)性能有所改善。2000年的K.Asano[34]等人以及2008年的P.Brosselard[35]等人都對PN二極管高溫時動態(tài)性能退化的問題進行了研究。研究表明，隨著溫度升高，PN二極管在關(guān)斷時的反向恢復(fù)時間/電荷/電流增加，導(dǎo)致器件的動態(tài)特性變差，這是由于高溫降低了載流子遷移率，為了達到相同的電壓降，少子注入密度增加[34]以及高溫時，缺陷被填充的概率更低，導(dǎo)致少子壽命增加[35]。在此基礎(chǔ)上，2018年的J.Nakashima[31]等人展示了室溫和高溫情況下，傳統(tǒng)SiCMOSFET和集成了SBD的SiCMOSFET的開通波形。如圖1.5所示，雖然在室溫時，兩者的波形差別不大，但是高溫下，由于續(xù)流PN二極管存在上述高溫動態(tài)性能退化的問題，傳統(tǒng)SiCMOSFET開通時的反向恢復(fù)電流更大，同時漏-源極電壓（VDS）下降得更慢。這些特性說明高溫下，集成方案的MOSFET開通時的電流/電壓振蕩減小，電路在過流過壓保護方面具備一定的優(yōu)勢。進一步，他們還比較了高溫和開關(guān)頻率對SiCMOSFET、集成SBD的SiCMOSFET兩種情況的開關(guān)損耗的影響，發(fā)現(xiàn)MOSFET集成SBD的方案在高溫、高頻情況下，動態(tài)性能以及開關(guān)損耗更具備優(yōu)勢。1.3.2GaNE-HEMT第三象限續(xù)流圖1.5(a)室溫和(b)高溫下，傳統(tǒng)SiCMOSFET和集成SBD的SiCMOSFET的開通波形[31]
【參考文獻】：
期刊論文
[1]第三代半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)[J]. 何亮,劉揚. 電源學(xué)報. 2016(04)
[2]GaN MOSFET的設(shè)計制作及其表征[J]. 王青鵬,江瀅,敖金平,王德君. 電力電子技術(shù). 2012(12)
[3]GaN高電子遷移率晶體管的研究進展[J]. 張金風,郝躍. 電力電子技術(shù). 2008(12)
碩士論文
[1]增強型GaN功率器件的動態(tài)電阻測試及分析[D]. 李瑞.浙江大學(xué) 2019
[2]GaN器件的特性及應(yīng)用研究[D]. 崔梅婷.北京交通大學(xué) 2015
[3]SiC單晶生長設(shè)備加熱系統(tǒng)設(shè)計及其仿真[D]. 李斌.西安電子科技大學(xué) 2012
[4]GaN MOSFET器件特性計算機模擬分析與研究[D]. 王振.山東大學(xué) 2008
本文編號：3452019
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
SiCMOSFET體二極管在壓力前后的正向I-V特性退化曲線[29]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論7的動態(tài)特性以及導(dǎo)通損耗會產(chǎn)生負面影響。除此之外，由于SBD的比導(dǎo)通電阻與阻斷電壓的平方成比例增加，而VPN幾乎不受阻斷電壓的影響，所以相同的電流等級下，所需的SBD的尺寸大小與阻斷電壓的平方成比例增加。另一方面，相同電流等級的MOSFET為了保持熱密度一致，其尺寸大小一般與阻斷電壓成比例增加。這說明隨著阻斷電壓的增加，外部反并聯(lián)SBD的芯片尺寸的擴展要大于MOSFET[30]。比如在阻斷電壓高達6.5kV時，外部反并聯(lián)SiCSBD的尺寸已經(jīng)達到了MOSFET的3倍[31]。減小MOSFET和SBD芯片總尺寸的一個簡單方法就是將MOSFET和SBD結(jié)構(gòu)工藝集成到同一芯片中。與MOSFET加外部反并聯(lián)SBD相比，通過將SBD結(jié)構(gòu)集成到MOSFET中，可以大大減少芯片的總尺寸，從而增加功率密度，因為每個器件的外圍區(qū)域和漂移區(qū)域是共享的[30]。除此之外，為了避免MOSFET體二極管導(dǎo)通，施加在MOSFETPN結(jié)上的電壓必須小于VPN，如圖1.4所示，考慮MOSFETPN結(jié)上的電壓等于VPN的臨界情況時，針對外部反并聯(lián)在MOSFET兩端的SBD而言，其正負極之間電壓（VSDa）需要小于VPN，因為整個MOSFET上的電壓降都施加在PN結(jié)處；針對集成在MOSFET上的SBD而言，源-漏極之間的電壓（VSDb）則能高于VPN，因為部分外加電壓可以施加在與PN結(jié)串聯(lián)的漂移區(qū)和襯底電阻上，從而在不激活MOSFET體二極管的前提下，集成方案可以獲得更高的SBD電流密度。故在保證相同的電流等級情況下，集成方案可以大大減小芯片尺寸[32]。以電壓等級為6.5kV的器件為例，集成器件的尺寸僅比MOSFET本身增大了5%[31]。與MOSFET加外部反并聯(lián)SBD相比，除圖1.4(a)傳統(tǒng)MOSFET加外部反并聯(lián)SBD和(b)MOSFET集成SBD的器件橫截面示意圖[32]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論8了大大減小器件尺寸之外，集成方案還可以將封裝的數(shù)量減少一半，從而降低成本。另外，通過消除獨立封裝器件之間的寄生電感可以提高效率，進一步可以增加開關(guān)頻率[33]。與MOSFET體二極管相比，集成方案中的SBD具備低的導(dǎo)通壓降，從而確保MOSFET體二極管不會開啟，同時低的開啟電壓和導(dǎo)通壓降使得二極管續(xù)流時的損耗減小[26]。與MOSFET體二極管相比，集成方案器件的開關(guān)性能有所改善。2000年的K.Asano[34]等人以及2008年的P.Brosselard[35]等人都對PN二極管高溫時動態(tài)性能退化的問題進行了研究。研究表明，隨著溫度升高，PN二極管在關(guān)斷時的反向恢復(fù)時間/電荷/電流增加，導(dǎo)致器件的動態(tài)特性變差，這是由于高溫降低了載流子遷移率，為了達到相同的電壓降，少子注入密度增加[34]以及高溫時，缺陷被填充的概率更低，導(dǎo)致少子壽命增加[35]。在此基礎(chǔ)上，2018年的J.Nakashima[31]等人展示了室溫和高溫情況下，傳統(tǒng)SiCMOSFET和集成了SBD的SiCMOSFET的開通波形。如圖1.5所示，雖然在室溫時，兩者的波形差別不大，但是高溫下，由于續(xù)流PN二極管存在上述高溫動態(tài)性能退化的問題，傳統(tǒng)SiCMOSFET開通時的反向恢復(fù)電流更大，同時漏-源極電壓（VDS）下降得更慢。這些特性說明高溫下，集成方案的MOSFET開通時的電流/電壓振蕩減小，電路在過流過壓保護方面具備一定的優(yōu)勢。進一步，他們還比較了高溫和開關(guān)頻率對SiCMOSFET、集成SBD的SiCMOSFET兩種情況的開關(guān)損耗的影響，發(fā)現(xiàn)MOSFET集成SBD的方案在高溫、高頻情況下，動態(tài)性能以及開關(guān)損耗更具備優(yōu)勢。1.3.2GaNE-HEMT第三象限續(xù)流圖1.5(a)室溫和(b)高溫下，傳統(tǒng)SiCMOSFET和集成SBD的SiCMOSFET的開通波形[31]
【參考文獻】：
期刊論文
[1]第三代半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)[J]. 何亮,劉揚. 電源學(xué)報. 2016(04)
[2]GaN MOSFET的設(shè)計制作及其表征[J]. 王青鵬,江瀅,敖金平,王德君. 電力電子技術(shù). 2012(12)
[3]GaN高電子遷移率晶體管的研究進展[J]. 張金風,郝躍. 電力電子技術(shù). 2008(12)
碩士論文
[1]增強型GaN功率器件的動態(tài)電阻測試及分析[D]. 李瑞.浙江大學(xué) 2019
[2]GaN器件的特性及應(yīng)用研究[D]. 崔梅婷.北京交通大學(xué) 2015
[3]SiC單晶生長設(shè)備加熱系統(tǒng)設(shè)計及其仿真[D]. 李斌.西安電子科技大學(xué) 2012
[4]GaN MOSFET器件特性計算機模擬分析與研究[D]. 王振.山東大學(xué) 2008
本文編號：3452019
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