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垂直GaN JFET的动态性能

2024/2/5 9:47:10      材料来源:雅时化合物半导体

据美国弗吉尼亚理工学院及州立大学与NexGen Power Systems Inc称,已对垂直氮化镓(GaN)功率晶体管的动态导通电阻(RON)和阈值电压(VTH)稳定性进行首次实验鉴定 [Xin Yang et al, IEEE Transactions On Electron Devices, published online 5 December 2023]。研究人员对额定电压高达1200V(1.2kV)的NexGen结型场效应晶体管(JFET)器件进行了研究。

动态RON描述了开关晶体管在稳定直流状态下电阻值的增加。研究团队评论道:“在应用中,这一问题会导致器件的传导损耗增大,寿命降低。”

研究人员比较了额定650V/200mΩ和1200V/70mΩ的NexGen GaN JFET(图1)与商用650V和1200V碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,IMZA65R083M1H、C3M0075120D),以及带肖特基型p-GaN栅极的650V GaN高电子迁移率晶体管(SP-HEMT,GS-065-011-1-L)的性能。

 

图1:(a)垂直GaN JFET示意图。1.2kV器件在25-150℃下的特性(温度每次增加25℃):(b)传输、漏极电流(ID)与栅极电位(VGS)的对数和线性关系;(c)IG与VGS的关系;(d)输出。

NexGen的器件是在100 mm n+-GaN体衬底上制造的。鳍片沟道高约1μm,宽度为亚微米。栅极由鳍片之间的植入p-GaN区组成。针对650V和1200V器件,鳍片沟道和漏极之间的漂移区分别约为8μm和10μm。对应的雪崩击穿电压约为800V和1500V。

25℃时,1.2kV JFET的阈值电压(VTH)为1.6V,150℃时则降至1.45V。IG为20mA的情况下,25℃时,RON约为70mΩ,150℃时则增至150mΩ。

图2:额定电压为650V时,(a)SiC MOSFET、(b)GaN JFET、(c)GaN SP-HEMT、(d)1200V GaN JFET的提取动态RON及归一动态RON与3μs脉宽VIN的关系。(e)和(f)1200V GaN JFET在800V VIN(10A稳态)下的动态RON性能分别与1μs脉冲峰值漏极电流和TC(有/无冷却)的关系。

研究人员使用带主动测量电路的连续硬开关双脉冲测试(DPT)来评估动态RON性能(图2)。器件组装在双扁平无引线(DFN)封装中,外壳温度(TC)通过热成像来确定。比较器件SiC MOSFET和GaN SP-HEMT采用了风扇冷却,而GaN JFET未采用风扇冷却。根据测量TC时的静态RON,对RON值进行归一化处理。

研究人员评论道:“结果显示,650V和1200V GaN JFET均无动态RON。”

研究人员还进行了静态应力测试,以确定RON值和VTH值的稳定性,这一点与功率器件大多处于关断状态的应用场景相关。1200V JFET的VTH值和RON值最大偏移分别为0.05%和1.38%。相比之下,650V GaN SP-HEMT的对应偏移分别为20%和10%。

研究人员还比较了JFET和HEMT结构的模拟结果,以分析动态RON和静态稳定性能的差异。研究团队认为,关键区别在于峰值电场的位置(通常在边缘终端附近)。HEMT结构中,峰值电场距离器件表面只有20-30nm,而在JFET中,峰值电场埋在距离器件表面约1μm的地方。研究人员认为,由于块状GaN上生长的外延层缺陷密度较低,很大程度上抑制了表面陷阱和缓冲陷阱,减少了状态变化的延迟,进而几乎消除了GaN JFET中的动态RON

研究人员补充说:“最后,JFET中的原生p-n结栅极无禁带不连续性,与HEMT中的p-GaN/AlGaN/GaN异质栅极(特别是SP-HEMT中p-GaN的肖特基接触)相比,能够实现更高效的载流子供应或提取。”

 

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