科研速遞
近日，電子科技大學(xué)與深圳平湖實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在650V肖特基p-GaN高電子遷移率晶體管上取得了創(chuàng)紀(jì)錄的短路性能突破。相關(guān)成果發(fā)表于《IEEE Transactions on Power Electronics》。該器件在單次短路事件中實(shí)現(xiàn)了629微秒的耐受時(shí)間，幾乎為同類商用對(duì)比器件的兩倍。在重復(fù)短路脈沖測(cè)試中，該器件可承受12000次50微秒脈寬的短路脈沖而不發(fā)生失效。
圖1：(a) 650V增強(qiáng)型GaN HEMT的截面示意圖；(b) 封裝器件的俯視圖和底視圖；(c) 轉(zhuǎn)移特性曲線（漏極電流與柵極電壓關(guān)系，Vds=1V/5V）；(d) 關(guān)態(tài)柵極漏電流與漏極漏電流隨漏極電壓的變化關(guān)系。
器件外延材料基于6英寸硅襯底，包含2.85μm AlGaN/GaN超晶格過渡層、1.96μm GaN緩沖層/溝道層、11nm AlGaN勢(shì)壘層和p-GaN柵極。柵極長(zhǎng)度為1.42μm，器件集成了多個(gè)場(chǎng)板以優(yōu)化電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)高壓工作。
在200μA漏電流下，關(guān)態(tài)擊穿電壓達(dá)到1165V。 工作特性包括6V柵壓下31A飽和電流、1.15V閾值電壓和89mΩ導(dǎo)通電阻，與商用650V/150mΩ和700V/106mΩ器件相當(dāng)。
圖2：?jiǎn)蚊}沖短路電壓（左）和電流（右）波形，測(cè)試條件為450V漏極應(yīng)力和6V柵極電壓：商用對(duì)比器件DUT-A（a、b）和DUT-B（c、d），以及研究團(tuán)隊(duì)的器件（e、f）。
團(tuán)隊(duì)將短路性能的提升歸因于采用比常規(guī)更薄的AlGaN勢(shì)壘層。短路發(fā)生時(shí)，薄勢(shì)壘允許溝道中的電子隧穿至柵極，自適應(yīng)地降低柵極電位，從而部分夾斷二維電子氣溝道。這一負(fù)反饋機(jī)制降低了漏極電流，減輕了導(dǎo)致器件燒毀的自熱效應(yīng)。
在450V漏極應(yīng)力下，單脈沖短路耐受時(shí)間達(dá)到629μs，約為同類商用器件的兩倍。將漏極偏壓升至500V和550V時(shí)，耐受時(shí)間分別降至436μs和337μs；而對(duì)比器件在550V下僅能承受0.245μs和0.19μs。
圖3：?jiǎn)蚊}沖短路能力基準(zhǔn)對(duì)比——600-650V GaN功率HEMT、650V硅CoolMOS和650V SiC MOSFET在不同Vds應(yīng)力下的短路耐受時(shí)間。
在重復(fù)短路測(cè)試中，商用對(duì)比器件在第三次短路循環(huán)即失效，而研究團(tuán)隊(duì)的器件在12000次重復(fù)短路事件后仍保持完好。 團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，即使采用50μs的更長(zhǎng)短路脈沖寬度，器件仍能承受12000次重復(fù)應(yīng)力而不失效。據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，50μs脈沖下的耐受能力是GaN功率器件的首次報(bào)道。
圖4：重復(fù)短路能力基準(zhǔn)對(duì)比——650V GaN HEMT、650V GaN/SiC JFET共源共柵和1.2kV SiC MOSFET在不同Vds/脈沖寬度下的短路循環(huán)次數(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)指出：“短路魯棒性已成為這些應(yīng)用中GaN HEMT的關(guān)鍵可靠性問題。由意外負(fù)載短路或外部故障引起的短路事件，使器件同時(shí)承受高漏源電壓和電流，產(chǎn)生過大瞬態(tài)功率，可能導(dǎo)致嚴(yán)重退化或?yàn)?zāi)難性失效。這種短路應(yīng)力下的固有脆弱性仍是GaN HEMT向高可靠性電力電子領(lǐng)域拓展的主要障礙?！?/span>
該成果顯示，通過薄勢(shì)壘設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的“自適應(yīng)負(fù)反饋”機(jī)制，可在不犧牲導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的前提下，將GaN器件的短路耐受能力提升至接近甚至超越部分SiC器件的水平。 研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，增強(qiáng)的短路魯棒性將推動(dòng)GaN功率HEMT從消費(fèi)電子（如快充）向工業(yè)電源轉(zhuǎn)換、汽車動(dòng)力總成、可再生能源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域拓展市場(chǎng)滲透。
論文信息:N. Yang et al., "p-GaN HEMTs With Thin AlGaN-Barrier Achieving Record Short-Circuit Robustness of tSC>600 μs & 12000cycle/50 μs Repetitive Short-Circuit Capability," in IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2026.3711894.
文章來源：semiconductor-today
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