氮化镓增强型晶体管第三象限浪涌能力研究
发布时间：2021-10-22 23:21
作为第三代半导体材料的代表,GaN具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子迁移率等优点,因此GaN功率器件被广泛应用于高频、高功率密度和高效率的电力电子变换领域。GaN增强型高电子迁移率晶体管（E-HEMT）具有天然对称的横向沟道,可以利用相同的导电沟道实现正向和反向的电流传导,这一点在双向DC/DC变换器和DC/RF互转换系统中是非常有利的。然而,在以上的双向变换电路中,特别是针对GaN功率器件的高频应用场合,快速开关过程往往伴随着电流过冲/振荡,要求GaN E-HEMT在第三象限具备一定的浪涌能力。但是截止目前,还没有人对GaN E-HEMT不同于PN二极管的浪涌能力的机理进行研究。在这项工作中,我们在浪涌测试实验的基础上,结合Silvaco TCAD仿真以及动态栅极漏电流（IG）特性表征实验,评估了两种商用GaN E-HEMT第三象限的浪涌能力,并揭示了不同门极p-GaN接触技术和栅-源极电压(VGS)对其浪涌能力的影响。欧姆p-GaN接触和高的VGS,提高了空穴注入和沟道调制的效率,从而可以提高GaN E-HEMT在反...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiCMOSFET体二极管在压力前后的正向I-V特性退化曲线[29]
浙江大学硕士学位论文第1章绪论7的动态特性以及导通损耗会产生负面影响。除此之外，由于SBD的比导通电阻与阻断电压的平方成比例增加，而VPN几乎不受阻断电压的影响，所以相同的电流等级下，所需的SBD的尺寸大小与阻断电压的平方成比例增加。另一方面，相同电流等级的MOSFET为了保持热密度一致，其尺寸大小一般与阻断电压成比例增加。这说明随着阻断电压的增加，外部反并联SBD的芯片尺寸的扩展要大于MOSFET[30]。比如在阻断电压高达6.5kV时，外部反并联SiCSBD的尺寸已经达到了MOSFET的3倍[31]。减小MOSFET和SBD芯片总尺寸的一个简单方法就是将MOSFET和SBD结构工艺集成到同一芯片中。与MOSFET加外部反并联SBD相比，通过将SBD结构集成到MOSFET中，可以大大减少芯片的总尺寸，从而增加功率密度，因为每个器件的外围区域和漂移区域是共享的[30]。除此之外，为了避免MOSFET体二极管导通，施加在MOSFETPN结上的电压必须小于VPN，如图1.4所示，考虑MOSFETPN结上的电压等于VPN的临界情况时，针对外部反并联在MOSFET两端的SBD而言，其正负极之间电压（VSDa）需要小于VPN，因为整个MOSFET上的电压降都施加在PN结处；针对集成在MOSFET上的SBD而言，源-漏极之间的电压（VSDb）则能高于VPN，因为部分外加电压可以施加在与PN结串联的漂移区和衬底电阻上，从而在不激活MOSFET体二极管的前提下，集成方案可以获得更高的SBD电流密度。故在保证相同的电流等级情况下，集成方案可以大大减小芯片尺寸[32]。以电压等级为6.5kV的器件为例，集成器件的尺寸仅比MOSFET本身增大了5%[31]。与MOSFET加外部反并联SBD相比，除图1.4(a)传统MOSFET加外部反并联SBD和(b)MOSFET集成SBD的器件横截面示意图[32]
浙江大学硕士学位论文第1章绪论8了大大减小器件尺寸之外，集成方案还可以将封装的数量减少一半，从而降低成本。另外，通过消除独立封装器件之间的寄生电感可以提高效率，进一步可以增加开关频率[33]。与MOSFET体二极管相比，集成方案中的SBD具备低的导通压降，从而确保MOSFET体二极管不会开启，同时低的开启电压和导通压降使得二极管续流时的损耗减小[26]。与MOSFET体二极管相比，集成方案器件的开关性能有所改善。2000年的K.Asano[34]等人以及2008年的P.Brosselard[35]等人都对PN二极管高温时动态性能退化的问题进行了研究。研究表明，随着温度升高，PN二极管在关断时的反向恢复时间/电荷/电流增加，导致器件的动态特性变差，这是由于高温降低了载流子迁移率，为了达到相同的电压降，少子注入密度增加[34]以及高温时，缺陷被填充的概率更低，导致少子寿命增加[35]。在此基础上，2018年的J.Nakashima[31]等人展示了室温和高温情况下，传统SiCMOSFET和集成了SBD的SiCMOSFET的开通波形。如图1.5所示，虽然在室温时，两者的波形差别不大，但是高温下，由于续流PN二极管存在上述高温动态性能退化的问题，传统SiCMOSFET开通时的反向恢复电流更大，同时漏-源极电压（VDS）下降得更慢。这些特性说明高温下，集成方案的MOSFET开通时的电流/电压振荡减小，电路在过流过压保护方面具备一定的优势。进一步，他们还比较了高温和开关频率对SiCMOSFET、集成SBD的SiCMOSFET两种情况的开关损耗的影响，发现MOSFET集成SBD的方案在高温、高频情况下，动态性能以及开关损耗更具备优势。1.3.2GaNE-HEMT第三象限续流图1.5(a)室温和(b)高温下，传统SiCMOSFET和集成SBD的SiCMOSFET的开通波形[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战[J]. 何亮,刘扬. 电源学报. 2016(04)
[2]GaN MOSFET的设计制作及其表征[J]. 王青鹏,江滢,敖金平,王德君. 电力电子技术. 2012(12)
[3]GaN高电子迁移率晶体管的研究进展[J]. 张金风,郝跃. 电力电子技术. 2008(12)
硕士论文
[1]增强型GaN功率器件的动态电阻测试及分析[D]. 李瑞.浙江大学 2019
[2]GaN器件的特性及应用研究[D]. 崔梅婷.北京交通大学 2015
[3]SiC单晶生长设备加热系统设计及其仿真[D]. 李斌.西安电子科技大学 2012
[4]GaN MOSFET器件特性计算机模拟分析与研究[D]. 王振.山东大学 2008
本文编号：3452019
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiCMOSFET体二极管在压力前后的正向I-V特性退化曲线[29]
浙江大学硕士学位论文第1章绪论7的动态特性以及导通损耗会产生负面影响。除此之外，由于SBD的比导通电阻与阻断电压的平方成比例增加，而VPN几乎不受阻断电压的影响，所以相同的电流等级下，所需的SBD的尺寸大小与阻断电压的平方成比例增加。另一方面，相同电流等级的MOSFET为了保持热密度一致，其尺寸大小一般与阻断电压成比例增加。这说明随着阻断电压的增加，外部反并联SBD的芯片尺寸的扩展要大于MOSFET[30]。比如在阻断电压高达6.5kV时，外部反并联SiCSBD的尺寸已经达到了MOSFET的3倍[31]。减小MOSFET和SBD芯片总尺寸的一个简单方法就是将MOSFET和SBD结构工艺集成到同一芯片中。与MOSFET加外部反并联SBD相比，通过将SBD结构集成到MOSFET中，可以大大减少芯片的总尺寸，从而增加功率密度，因为每个器件的外围区域和漂移区域是共享的[30]。除此之外，为了避免MOSFET体二极管导通，施加在MOSFETPN结上的电压必须小于VPN，如图1.4所示，考虑MOSFETPN结上的电压等于VPN的临界情况时，针对外部反并联在MOSFET两端的SBD而言，其正负极之间电压（VSDa）需要小于VPN，因为整个MOSFET上的电压降都施加在PN结处；针对集成在MOSFET上的SBD而言，源-漏极之间的电压（VSDb）则能高于VPN，因为部分外加电压可以施加在与PN结串联的漂移区和衬底电阻上，从而在不激活MOSFET体二极管的前提下，集成方案可以获得更高的SBD电流密度。故在保证相同的电流等级情况下，集成方案可以大大减小芯片尺寸[32]。以电压等级为6.5kV的器件为例，集成器件的尺寸仅比MOSFET本身增大了5%[31]。与MOSFET加外部反并联SBD相比，除图1.4(a)传统MOSFET加外部反并联SBD和(b)MOSFET集成SBD的器件横截面示意图[32]
浙江大学硕士学位论文第1章绪论8了大大减小器件尺寸之外，集成方案还可以将封装的数量减少一半，从而降低成本。另外，通过消除独立封装器件之间的寄生电感可以提高效率，进一步可以增加开关频率[33]。与MOSFET体二极管相比，集成方案中的SBD具备低的导通压降，从而确保MOSFET体二极管不会开启，同时低的开启电压和导通压降使得二极管续流时的损耗减小[26]。与MOSFET体二极管相比，集成方案器件的开关性能有所改善。2000年的K.Asano[34]等人以及2008年的P.Brosselard[35]等人都对PN二极管高温时动态性能退化的问题进行了研究。研究表明，随着温度升高，PN二极管在关断时的反向恢复时间/电荷/电流增加，导致器件的动态特性变差，这是由于高温降低了载流子迁移率，为了达到相同的电压降，少子注入密度增加[34]以及高温时，缺陷被填充的概率更低，导致少子寿命增加[35]。在此基础上，2018年的J.Nakashima[31]等人展示了室温和高温情况下，传统SiCMOSFET和集成了SBD的SiCMOSFET的开通波形。如图1.5所示，虽然在室温时，两者的波形差别不大，但是高温下，由于续流PN二极管存在上述高温动态性能退化的问题，传统SiCMOSFET开通时的反向恢复电流更大，同时漏-源极电压（VDS）下降得更慢。这些特性说明高温下，集成方案的MOSFET开通时的电流/电压振荡减小，电路在过流过压保护方面具备一定的优势。进一步，他们还比较了高温和开关频率对SiCMOSFET、集成SBD的SiCMOSFET两种情况的开关损耗的影响，发现MOSFET集成SBD的方案在高温、高频情况下，动态性能以及开关损耗更具备优势。1.3.2GaNE-HEMT第三象限续流图1.5(a)室温和(b)高温下，传统SiCMOSFET和集成SBD的SiCMOSFET的开通波形[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战[J]. 何亮,刘扬. 电源学报. 2016(04)
[2]GaN MOSFET的设计制作及其表征[J]. 王青鹏,江滢,敖金平,王德君. 电力电子技术. 2012(12)
[3]GaN高电子迁移率晶体管的研究进展[J]. 张金风,郝跃. 电力电子技术. 2008(12)
硕士论文
[1]增强型GaN功率器件的动态电阻测试及分析[D]. 李瑞.浙江大学 2019
[2]GaN器件的特性及应用研究[D]. 崔梅婷.北京交通大学 2015
[3]SiC单晶生长设备加热系统设计及其仿真[D]. 李斌.西安电子科技大学 2012
[4]GaN MOSFET器件特性计算机模拟分析与研究[D]. 王振.山东大学 2008
本文编号：3452019
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