P-n 结增强 GaN HEMT

向 GaN HEMT 添加 p-n 结可以提高其击穿电压

商用 GaN HEMT 最显著的弱点之一是其栅极电压往往被限制在不超过 7 V的范围内，以确保安全运行。这种限制减少了栅极驱动器的选择，并排除了使用栅极偏压超过 10 V 的硅基设计。

为了克服这一限制，南京大学和CorEnergy Semiconductor在中国合作开发了一种新颖、可靠、大面积的器件，可提供对栅极的稳健控制。该器件将 HEMT 与 p-n 结结合在一起。

根据南京大学的团队发言人 Feng Zhou 的说法，他们采用行业标准工艺生产的概念验证器件的优势，包括 18.2 V 的高击穿电压和在超过10V的栅极偏压下长时间工作的能力 “这让我们相信 p-n 结 HEMT 可以直接与硅驱动器一起使用。”

中国合作伙伴多年来一直在研究这种新型 GaN HEMT，早在 2019 年就申请了专利。“据我们所知，这是第一个关于 p-n 结栅极架构概念的专利。”

实现这项技术的承诺并非易事，由于更容易受到工艺变化的影响，大面积器件的制造比其较小的同类器件更具挑战性。

最近，该团队克服了这一问题，最近的努力突出了面积为 4.9 平方毫米的器件的强大性能。这些 p-n 结 HEMT， 以及采用肖特基结的控制，是通过采用一个 150 mm 硅外延片，将其装入 MOCVD 室，并沉积 一个4.5 μm 厚的缓冲层，然后是一个 300 nm 无意掺杂的 GaN 制成的沟道和一个 13 nm 厚的 Al_0.2Ga_0.8N 势垒层。对于 p-n 结 HEMT，添加了 100 nm 厚的镁掺杂 p 型 GaN 层，然后是 40 nm 厚的硅掺杂 n 型层。

为了用这些外延片生产器件，工程师们在热激活剩余的 p 型材料并为源极和漏极添加欧姆接触之前，部分蚀刻掉顶部的 p 型和 n 型层。随后添加 1 μm 厚的 SiN 钝化层，然后开栅极接触的窗口（参见上图，其中显示：（a）光学图像和横截面图：（b）GaN pn结 HEMT 和 (c)，GaN 肖特基结 HEMT)。

该团队已在感应开关电路中部署了他们的 p-n 结 HEMT，与传统的肖特基结 HEMT 相比，据说它们可以提供快速开关和对动态通电阻的强抗干扰性。“更重要的是，我们的器件显示出卓越的过电压可靠性，动态击穿电压达到创纪录的 1.62 千伏，”Zhou 兴奋地说。

动态阻断电压的测量是通过非钳位感应开关实验进行的。测试显示 1.45 kV 的 650 V 肖特基栅极 HEMT 的值较低。具有较高的值是非常有价值的，可以防止功率器件的故障以及由于栅极故障而导致的所有通道阻塞能力的损失。

鉴于以下情况，可以实现一组更好的结果：外延材料和制造工艺尚未优化，栅极击穿电压存在一定程度的不均匀性，与阈值电压相关的行为存在滞后。

在分析未优化器件的栅极特性时，该团队发现栅极叠层中的 n-GaN 覆盖层在抑制栅极漏电流和调整耗尽区内的电场分布方面起着至关重要的作用。这使他们认识到需要改进 n 型 GaN 盖层的材料特性，例如其浓度和厚度，以及其沉积条件和与栅极相关的制造工艺。

“此外，我们的团队专注于优化器件封装，以降低寄生效应，”Zhou透露。

参考资料

F. Zhou et al. IEEE Trans. Power Electron. 37 26 (2022)

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