电子科技大学集成电路学院功率集成技术实验室在宽禁带半导体GaN功率器件及其高效电力电子应用研究领域取得研究进展

　　氮化镓（GaN）材料具备禁带宽度大、临界击穿电场高、易于形成高迁移率二维电子气等特性，是实现高耐压、低损耗功率器件的理想半导体材料，在电力电子变换领域具有广阔的市场前景。近两年来，集成电路学院功率集成技术实验室罗小蓉教授研究小组在GaN功率器件抗辐照、可靠性和电源模块研究等方面取得一系列新进展，在领域国际权威期刊发表多篇论文。

 　　一、GaN/Si混并联器件对动态电阻退化的抑制作用及其Buck转换器应用

　　团队通过将变换器中两个并联GaN HEMT的其中一个替换为相同耐压等级但导通电阻略高的Si基MOSFET，系统的总导通损耗却显著降低[1] [2]。这一效果得益于Si MOSFET对陷阱俘获效应的规避，使得GaN/Si混并联器件的动态导通电阻退化低于全GaN器件的；相比全GaN器件，GaN/Si混并联器件的动态电阻降低了20%以上。在系统级层面，采用GaN/Si混并联器件的DC-DC Buck转换器的功率转换效率甚至优于使用同等规格全GaN器件的方案，在输出功率240W、开关频率500kHz工况下，GaN/Si混并联器件开关相较全GaN和全Si方案，效率显著提升。

图1 (a) 器件级动态导通电阻表征实验装置电路图。(b) VCC对器件动态导通电阻的影响。

　　图2 采用GaN/Si混并联器件、全GaN器件和全Si器件的Buck转换器效率对比。(a) 96 -to- 48V转换器在150 kHz的效率对比。(b) 48-to- 24V转换器在500 kHz的效率对比。

　　二、p-GaN栅HEMT器件在负栅压阻断态下的重离子辐照可靠性实验研究

　　团队对增强型p-GaN栅HEMT的单粒子效应进行研究，并通过钽（Ta）离子辐照实验第一次验证了对阻断态器件施加负栅压可增强抗单粒子效应的能力[3]。与处于零栅压阻断态的对照组相比，负栅压阻断态下器件单粒子瞬态电流可明显下降超过一个数量级，且呈现更高的单粒子烧毁电压（VSEB）。

　　图3  栅压为(a) -4V和(b) 0V时的单粒子烧毁特性。(c)不同漏极电压与(d)不同栅极电压下的单粒子瞬态电流曲线对比。

　　通过结合TCAD仿真工具进一步揭示了相关机理，即施加负栅压能有效降低空穴载流子浓度，从而降低了单粒子瞬态电流；且辐照在肖特基结、AlGaN/GaN界面以及缓冲层内产生的类受主陷阱则可分别通过CG、Vth与IDSS的退化情况来表征。在经历过相同的辐照剂量后，处于负栅压阻断态和处于零栅压阻断态的p-GaN栅HEMT相比，其栅电容CG、阈值电压Vth与关态泄漏电流IDSS等电学特性的退化幅度改善明显，展现出良好的辐照鲁棒性。

图4 栅压为(a) 辐照期间沿栅叠层处的能带示意图。(b) 栅压为-4V和0V时的二维空穴浓度分布图。

　　三、适用于GaN功率器件的RC偏置ESD电路

　　团队通过仿真与实验研究，提出并验证了一种适用于GaN功率器件的RC偏置ESD电路。该电路具有低静态漏电及高泄放效率。RC偏置的ESD电路以GaN p-GaN HEMT作为泄放器件，通过电容与电阻串联偏置控制泄放器件的导通及关断。RC偏置的ESD电路的创新机理为：其一，通过在偏置电路中引入电容，可有效降低ESD电路开启前的静态漏电，降低功耗同时避免对被保护器件的影响；其二，正向ESD动态脉冲条件下，随着电容的充放电，其电阻不再是无穷大。电容与偏置电路中电阻分压使得泄放器件p-GaN HEMT开启，从而实现电流泄放，将电压钳位到安全水平；其三，反向ESD动态脉冲条件下，通过相似原理实现双向ESD保护。

图5 RC偏置ESD电路原理图及测试PCB版照片

[1]原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11016211

[2]原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11220968

[3]原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10902430

[4]原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11284767