Si衬底GaN基功率开关器件的发展状况

在电力电子控制系统中,为了保证系统失效安全,器件必须具备常关型的工作特性。通常对于si衬底上gan基功率开关器件,主流技术是利用al-gan/gan异质结构界面处高浓度、高迁移率的 2deg工作,使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点。然而,这种algan/ganhfet即使在外加栅压为0的情况下,其器件也处于开启状态。如何实现高性能的常关型操作是gan功率开关器件面临 的一个重要挑战。
实现常关型工作特性的一般思路是保留接入区高导通的2deg,同时耗尽或截断栅极下方的2deg,以实现器件零偏压下关断。目前业界最普遍采用的常关型gan器件的结构有3种:(1) 结型栅结构(p型栅),(2) 共源共栅级联结构(cascode),(3)绝缘栅结构(mosfet), 如图表3所示。
(a) p型栅结构
(b) cascode共源共栅连接结构
(c) 绝缘栅结构
图表3 gan常关型器件结构示意
目前,p型栅结构方案是利用栅极下方的p型(al)gan层抬高沟道处的势垒,从而耗尽沟道中的2deg来实现常关,该结构的制备工艺难度较大,而cascode 级联结构的常关型器件方案只是暂时的解决方案。绝缘栅结构使用最普遍的就是凹槽栅结构,通过凹槽切断栅极下方的2deg,使得器件在零栅压下为关断状态。当正栅压增至大于阅值电压时,将在栅界面处形成电子积累层以作为器件的导电沟道,器件呈导通状态,属于“真”常关器件,因此被称为增强型gan fet。

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