中科院在提高GaN功率开关器件动态性能方面获进展

AlGaN/GaN HEMT是下一代大功率电力电子器件的发展方向之一。然而在高压大功率动态下工作时，AlGaN/GaN HEMT会出现动态特性比静态特性变差的现象，即所谓的电流崩塌现象。场板结构是抑制电流崩塌、改善器件动态特性的常用方法。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台对高压大功率AlGaN/GaN HEMT开展了系统的研究，在国际上首次提出并制备了新颖的双栅HEMT器件。通过双栅结构中的顶栅电极（Top-Gate）模拟分析了源场板和栅场板对器件动态特性的改善原理。研究成果发表在IEEE Electron Device Letters（vol.34, p.217, 2013）。在国际半导体产业界和学术界具有广泛影响的杂志Semiconductor Today对此研究结果进行了报道。

在此基础上，研究人员进一步提出了提高器件动态性能的工作模式：器件关态时顶栅加0V电压，开态时顶栅加正电压。并分析了此种工作模式下器件栅漏电极之间漂移区的动态导通电阻的分布情况。研究结果发表在IEEE Electron Device Letters（vol.34, p.747, 2013）。Semiconductor Today对此研究结果进行了报道。

图1、（a）双栅HEMT 的剖视图，（b）双栅HEMT 的显微镜照片

双栅AlGaN/GaN HEMT器件的独特之处在于：具有一个通过介质层与栅电极隔离，覆盖于栅电极上方的可以单独加电压信号控制的顶栅电极，顶栅电极向源端和漏端各有一定长度的延伸（见图1）。

器件关态时，顶栅加0V电压，此时的顶栅起到场板的作用，可以降低栅漏电极之间的峰值场强，改进器件的动态特性。器件开态时，顶栅加正电压能够在沟道中感生出额外的电子，感生的电子可以在一定程度上增加2DEG的面密度，从而改进动态特性。基于以上原理，提出了文章中的双栅AlGaN/GaN HEMT器件的工作模式，顶栅在器件关态时加0V电压，在器件开态时加正电压。

图2所示为此工作模式的输入和输出电压波形，从图中可以看出随着器件开态时顶栅电极所加正电压的增加，器件的开启延迟时间和动态导通电阻逐渐降低。

图2、双栅器件输入信号和输出信号波形图

所测结果如表1所示，与源场板结构相比（开态时顶栅电极加0V电压），开态时顶栅电极加+30V电压，器件的开态延迟时间和动态导通电阻分别降低55%和17%。基于此种工作模式，研究人员从空间上分析了栅电极和漏电极之间漂移区电流崩塌对器件动态特性的影响。研究发现，靠近栅端的电流崩塌对器件的开启时间影响较大，靠近漏端的电流崩塌对器件的动态导通电阻影响较大。

表1、开启延迟时间（τ_fd）和动态导通电阻（R_{on_D}）与关态顶栅电压的关系（V_{TG_on_state}）