高性能1200伏p-GaN栅极HEMT，采用标准650伏GaN-on-Si外延晶圆

《IEEE Transactions on Electron Devices》：High-Performance 1200-V p-GaN Gate HEMT on Standard 650-V GaN-on-Si Epi-Wafer

电动汽车高压化推动1200V GaN-on-Si功率器件需求，研究通过浮动衬底结构将击穿电压提升至2001V，并采用虚拟体设计有效缓解背栅效应，使动态电阻比从2.25优化至1.18，同时保持长期反向偏置稳定性，提供了一种低成本解决方案。

　　

摘要：

电动汽车的趋势是将总线电压提高到800伏特，这推动了对千伏级GaN功率器件的需求。然而，主流的GaN-on-Si功率晶体管的电压额定值通常仅限于650伏特。在这项工作中，我们在标准的650伏特GaN-on-Si外延晶圆（缓冲层厚度约为5微米）上开发了一种1200伏特的p-GaN栅极HEMT。为了使该器件适用于1200伏特的电压环境，我们采用了浮动衬底结构，该结构将击穿电压（BV）从1068伏特提升到了2001伏特。为了解决由于浮动衬底引起的“背栅效应”（即正电压诱导的缓冲层陷阱以及由此导致的动态导通电阻（R_ON）退化问题），我们引入了一种虚拟势垒（VB）设计：在二维电子气（2DEG）通道下方插入了一层AlGaN势垒层。来自p-GaN栅极的空穴会在GaN/AlGaN界面处积累并扩散，从而形成虚拟势垒。这种虚拟势垒有效地屏蔽了浮动衬底引起的缓冲层陷阱效应。因此，在1200伏特漏极应力作用下，带有虚拟势垒的器件的动态导通电阻与静态导通电阻之比为1.18，而未经虚拟势垒设计的器件这一比值为2.25。此外，该器件在长时间反向偏压测试（偏压DS-OFF为1200伏特）下仍表现出稳定的性能，其导通电阻和阈值电压几乎没有变化。这项研究无需使用厚缓冲层或成本高昂的特殊工程衬底，从而展示了一种经济高效的方法来实现1200伏特的GaN-on-Si功率晶体管。