2023 01月14日
作者: 小白哥
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GaN HEMT介绍

氮化镓(Gallium Nitride, GaN),作为近20年来逐步兴起的第三代半导体材料,正凭借其宽带隙、高电子迁移率和高临界击穿电场等优异的物理特性开始在功率半导体市场上崭露头角。随着下游市场电力电子系统对于高效节能、智能小型化需求的不断驱动,发展新一代高效、高速GaN功率半导体技术,降低电能在各环节的损耗,既是功率半导体技术未来发展的现实要求,更是社会经济向节能、环保、绿色发展转变的必然趋势。近年来,GaN高电子迁移率晶体管(GaN HEMT,GaN High Electron MobilityTransistor)已经逐步渗透到包括数据通信、基站、UPS和工业激光雷达等工业和电信电源应用领域。

1.GaN HEMTs自热效应
尽管理论表明GaN HEMTs的优势之一就是高温环境应用,但GaN器件工作在高温环境下的可靠性问题到目前为止还没有取得较好的解决,对系统实现高性能和高热稳定性构成了很大的限制,严重制约了GaN HEMTs在大功率电力电子系统中的进一步发展。目前,与功率器件相关的自热效应是使GaN HEMTs器件适用于功率电子应用的主要挑战。
GaN HEMTs工作时,本身会产生一定的功率耗散,而这部分功率耗散将会在器件内部,尤其是在GaN HEMTs内部导电沟道产生相应的热量使得器件的结温有非常明显的升高,晶格振动散射大大加强使得漂移区内的电子迁移率降低,器件导通电阻表现出明显的上升,这种现象被称作“自热效应”。在器件的I-V测试中,随着Vds的不断增大,器件漏源电流Ids也随之上升,而当器件达到饱和区时Ids呈现饱和状态,随着Vds的增大而不再增加。此时,随着Vds的继续上升,器件出现严重的自热效应,导致饱和电流随着Vds的上升反而出现下降的情况,严重影响着器件的性能。此外,不同于Si基器件的PN结体材料导电方式,GaN HEMTs独特的二维电子气(2DEG)导电方式使得器件的导电沟道只有几个纳米,可以看作一个厚度趋于0的薄层,在带来很高的电流密度的同时也使得GaN HEMTs沟道内的热点(Hot Point)变得更加集中,在严重的情况下不仅会使器件性能出现大幅度的下降还可能导致器件栅极金属损坏、器件失效等一系列不可逆的问题。

在GaN HEMTs严重的自热效应下,对器件封装技术也提出了更高的要求。目前Transphorm、Panasonic和Infineon等公司对于GaN HEMTs大多采用TO封装和SMD系列封装。而宜普公司(EPC)则采用了LGA封装形式,在带来双面散热的同时也优化了器件内部寄生电感。GaN Systems则针对其公司产品开发了全新的GaNPX嵌入式封装。Navitas公司的GaNFast系列产品将GaN栅极驱动器与GaN功率管集成到一块芯片上,采用了集成式封装。然而当前的封装方案随着GaN器件电流密度的不断提升,其散热能力并不能很好地满足系统安全性以及集成化的要求。解决这一问题的主要思路有双面散热和液冷散热。采用双面散热的方式,热阻会降低一半,但是相应的散热结构以及应用中的组装方式会发生改变,这对工业产品的结构设计提出了新的要求。液冷散热利用冷却液循环对系统进行散热,其散热特性更好但是其维护和装配成本较高。新的封装技术,热导率更高的基板、散热器的研发是GaN器件能发挥其优异性能关键一步

2.GaN HEMTs电流崩塌

在高压大功率电力电子系统应用中,功率开关器件往往需要耐受>200V的长时间高压应力,对于GaN HEMTs而言其优异的耐高压能力和极快的开关速度可以将同等电压级别的电源系统推向更高的频率。这也意味着基于GaN HEMTs的高压系统解决方案比Si基系统具有更高的效率。然而,在高压应用下一个严重限制GaN HEMTs性能的问题就是电流崩塌现象(Current Collapse)。

电流崩塌又称作动态导通电阻退化(Dynamic Rds,on Degradation)如下图所示,这种现象最初得名于器件直流测试时,受到强电场的反复冲击后,饱和电流与最大跨导都出现下降,阈值电压和导通电阻出现上升的实验现象。而后,随着GaN HEMTs在功率电子领域的逐渐应用,对电流崩塌现象的研究也越来越多。目前对电流崩塌现象的研究发现,其原因主要是由于GaN HEMTs内部陷阱对沟道电子的捕获所导致。主要包括GaN外延掺杂带来的缓冲层陷阱、AlGaN 势垒层体陷阱以及刻蚀、注入等器件工艺处理中引起的表面陷阱。

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目前认为引起动态导通电阻退化的机制主要有三种:(1)虚栅的形成导致动态导通电阻退化 (2)沟道热电子注入效应导致的动态导通电阻退化 (3)Buffer trapping导致的动态导通电阻退化。

2.1 虚栅效应

电流崩塌本质上是材料中的陷阱对沟道电子的俘获,虚栅模型对其物理机制给出了较为合理的解释。当GaN HEMTs处于关断时,施加在器件漏极的高压偏置使得有源区形成从漏极指向栅极的正向电场,处于有源区的沟道电子被电场加速越过AlGaN势垒层,从而被AlGaN势垒层表面的陷阱所俘获。其次由于电场尖峰分布在栅极一侧,被俘获的电子会在靠近GaN HEMTs栅极附近形成负电荷积累,这些表面负电荷相当于一个负压偏置的栅极(即虚栅),使表面电势降低,从而部分耗尽了下方的二维电子气,使导通电阻变大也使得器件阈值电压正向漂移,如下图所示。简单地讲,位于AlGaN势垒层表面的陷阱俘获沟道电子,一方面降低沟道二维电子气浓度,另一方面抬升了能带高度使得耗尽区进一步扩展,在栅极附近形成了对沟道具有调控作用的“虚栅”。

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2.2 沟道热电子注入效应

GaN器件工作在高功率(High Power)或在开关瞬态过程中下,器件会产生很高的瞬时功耗,导电沟道中的载流子(电子)被激发为高能热电子。这些热电子在获得足够的能量后将从导电沟道进入靠近沟道附近的 AlGaN势垒层以及GaN缓冲层,从而被两处材料内的陷阱所捕获,如下图所示。被陷阱捕获的电子会使引起沟道二维电子气的部分耗尽,导致器件导通电阻上升。据称,有两种机制可以使沟道电子进入激发态,包括热电子发射和电子隧穿。电子隧穿是一个具有微秒时间常数的快速过程,而热电子发射是一个相对缓慢的过程,其时间常数根据材料缺陷密度从毫秒到分钟不等。

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2.3 Buffer trapping效应

Buffer trapping效应是主要是由于GaN Buffer层中补偿性掺杂(缓解Buffer层漏电问题)而引起的缓冲层陷阱在高压应力下捕获电子,造成沟道二维电子气部分耗尽。首先需要了解的是,非故意掺杂的GaN薄膜中,C、Si、O是最常见的杂质。C元素主要来自于 MOCVD生长中使用的TMG气体分解,另外还存在于反应室中石墨基座的C元素。Si元素主要来源于材料的生长环境,另外一方面则来源于Si衬底自下而上扩散而来。О元素则来源于载气中携带的氧气。这些杂质中О和Si是浅能级施主,而C元素则是双性杂质。C元素在缓冲层中可以通过替代掉Ga元素而成为浅能级施主,也可以通过替代N元素成为浅能级受主。在n型掺杂的GaN Buffer层中,C元素最稳定的状态就是浅能级受主,能够起到自补偿的作用,从而提高Buffer 层的阻抗。然而要形成高阻GaN缓冲层,仍然需要降低其背景载流子浓度,在这种情况下,通过调整MOCVD材料生长从而获得高浓度C掺杂的GaN缓冲层就成为了解决方案之一。但是,低温条件下才有利于C杂质大量进入,而这种生长条件下又会不可避免地导致GaN外延层材料的结晶质量下降。在这种情况下,向GaN中掺入补偿性的p型杂质来中和缓冲层中的多余电子成为了可选方案,其中比较成功的方法是Fe元素的掺杂。

GaN器件关断且衬源短接的情况下,器件不仅在栅漏之间存在强电场,强电场也存在于在衬底与漏极之间。由于器件漏极施加的高压偏置,衬底与漏极之间的强电场是电子的加速场。电子将从衬底越过成核层注入至缓冲层被缓冲层陷阱捕获,对沟道二维电子气产生耗尽而引起电流崩塌,如下图所示。而Buffer层存在的大量受主杂质对2DEG的耗尽作用会使得GaN器件在开启时性能受到很大程度上的影响。

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