南科大化梦媛课题组在氮化镓功率器件方面取得突破性进展
2021年06月08日 综合新闻 浏览量 :744

近日,南方科技大学电子与电气工程系助理教授化梦媛课题组基于商用氮化镓功率晶体管平台,开创性地提出使用p型氮化镓晶体管优化氮化镓功率器件性能的思路。课题组利用该思路成功制备了高阈值、高阈值稳定性的氮化镓功率晶体管,并根据该思路提出了高阈值、低导通电阻、低反向导通损耗的氮化镓功率晶体管制备方法。

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相关研究分别以“E-mode p-GaN Gate HEMT with p-FET Bridge for Higher VTH and Enhanced VTH Stability”为题发表在电子器件领域顶级会议IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)上(为GaN电力电子器件领域大陆高校首篇),以“Decoupling of Forward and Reverse Turn-on Threshold Voltages in Schottky-Type p-GaN Gate HEMTs”为题发表在电子器件领域顶级期刊IEEE Electron Device Letters上。

随着人类社会对于电能的依赖逐渐增加,更加高效地控制电能变得越来越迫切。相比于传统硅基器件,氮化镓功率器件有着更低的比导通电阻、更小的端电容、和更高散热效率,因此被视为下一代功率器件的重要参与者。然而,现有的基于“p型氮化镓肖特基栅极”的商用氮化镓功率晶体管存在阈值低和阈值不稳定问题,对栅极驱动电路提出了苛刻的要求,并对整个电路系统的安全性提出了挑战。

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课题组提出的新型p-FET氮化镓栅源桥器件结构

现有的研究发现,基于“p型氮化镓肖特基栅极”的商用氮化镓功率晶体管的阈值不稳定性主要来源于其栅极上一层p型氮化镓。当p型氮化镓中空穴的量不足时,功率晶体管的阈值会往正向漂移。在传统氮化镓功率晶体管中,由于该p型氮化镓层为浮空状态,其中空穴的量无法被直接控制,导致了器件阈值的不稳定。化梦媛课题组开创性地提出将栅极的p型氮化镓层通过一个p型晶体管与源极相连的思路。通过p型晶体管控制p型氮化镓层与源极的空穴交换,可以控制器件的阈值大小,并保持器件阈值的稳定性。课题组根据该思路制备氮化镓功率晶体管,成功将器件的阈值从1.7伏提升到可以在3.2-8.4伏范围内根据需求自由调节,并实现了较高的阈值稳定性。

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新型器件结构所实现的大范围阈值电压自由调节

在此结构基础上,课题组提出了降低比导通电阻和反向导通损耗的器件制备方法。在传统的氮化镓功率晶体管中,阈值、反向导通电压、比导通电阻存在很强的耦合关系,无法单独优化其中一个性能而不影响其他方面的性能。课题组提出的结构在很大程度上使阈值、反向导通电压、比导通电阻三者解耦,从而为同时优化三种性能提供了空间。

发表在IEDM的论文,化梦媛是第一作者兼通讯作者,其他作者还包括:南科大-港科大联合培养博士生陈俊廷,化学系博士生王成财、科研助理刘玲、博士生李玲玲、博士后赵骏磊、博士生姜作衡,北京大学研究员魏进、港科大博士生张力、港科大博士生郑柘炀、港科大教授(IEEE Fellow)陈敬。发表在EDL的论文,陈俊廷是第一作者,化梦媛为通讯作者,其他作者包括:王成财、刘玲、李玲玲、魏进、张力、港科大博士生郑柘炀、陈敬。南科大为第一单位。

 

 

论文链接:

https://doi.org/10.1109/IEDM13553.2020.9371969

https://doi.org/10.1109/LED.2021.3077081

 

供稿单位:电子与电气工程系

通讯员:李佰英

主图设计:丘妍

编辑:劳湘雯

 


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