氮化鎵的優(yōu)越材料特性推動(dòng)了其在功率器件應(yīng)用中的使用。橫向高電子遷移率晶體管 （HEMT） 器件已在廣泛的電壓等級(jí)（主要是 650 V 及以下）上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。與具有類似額定電壓的硅和碳化硅器件相比，GaN HEMT的高開(kāi)關(guān)頻率能力和更小的器件電容能夠提高系統(tǒng)效率和功率密度。因此，基于GaN HEMT的電源轉(zhuǎn)換器、充電器和適配器在消費(fèi)電子應(yīng)用中得到了廣泛的采用。

氮化鎵汞柱 在汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電網(wǎng)應(yīng)用中面臨一些障礙。與垂直 SiC 器件相比，橫向器件的器件面積縮放角度來(lái)看，用于 800V 及以上應(yīng)用的電壓調(diào)節(jié)具有挑戰(zhàn)性。在這些應(yīng)用中要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵因素是器件的短路（SC）魯棒性。負(fù)載中的SC故障會(huì)造成器件處于高源漏電壓（VDS） 和電流 （IDS).因此，該設(shè)備會(huì)受到高溫、電場(chǎng)和機(jī)械應(yīng)力的影響。這些可能是災(zāi)難性的，并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

短路耐受時(shí)間（SCWT 或 t南卡羅來(lái)納州） 是用于衡量設(shè)備承受這種情況的能力的指標(biāo)。T南卡羅來(lái)納州 需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便柵極驅(qū)動(dòng)器采取必要的措施并關(guān)閉設(shè)備。在硅IGBT中，t南卡羅來(lái)納州 時(shí)間通常額定在10 μs左右，而當(dāng)前的SiC MOSFET通常在3 μs范圍內(nèi)，積極的研究活動(dòng)正在進(jìn)一步擴(kuò)展。關(guān)于GaN功率HEMT的幾項(xiàng)研究了更短的時(shí)間，特別是在接近器件值V的電壓下DS 評(píng)級(jí)，許多顯示南卡羅來(lái)納州 < 500 ns （V）DS > 400 V.

參考文獻(xiàn)1中介紹了SCWT安全操作區(qū)域，作者還表明，盡管HEMT在單個(gè)SC事件中幸存下來(lái)（具有南卡羅來(lái)納州 > 300 μs），在 VDS 在 400 V 時(shí)，重復(fù)的 SC 事件導(dǎo)致南卡羅來(lái)納州 僅 20 ns。在另一項(xiàng)研究中，2 GaN HEMT中的SC故障被確定為由高電場(chǎng)從柵極傳播到漏極引起的。在本文中，我們將介紹弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心的一個(gè)小組以及NexGen Power Systems在垂直Fin-JFET GaN器件上的SC性能。3,4 該設(shè)備正在由 新世代動(dòng)力系統(tǒng).

GaN Fin-JFET的簡(jiǎn)化橫截面如所示。JFET 由一系列 ~1 μm 高的 n-GaN 鰭片和 p+ GaN 柵極設(shè)計(jì)組成。測(cè)試設(shè)備的一些特征是：

• 650V VDS 額定值
• 0.1 毫米2 器件有效區(qū)域，采用 TO-247 或 DFN 56 封裝組裝
•  ~0.7V 閾值電壓 （V千)
• ~0.7毫毫歐厘米2 導(dǎo)通電阻（RDS（開(kāi)啟）） 在 25°C 和 3V 柵源電壓 （V一般事務(wù)人員)
• ~4.8A 器件飽和電流 （IDSAT） 在 25°C
• ~800-V 雪崩擊穿電壓 （BV艾娃） 在 25°C

SC 結(jié)果

顯示了這些器件在各種V下單事件SC故障時(shí)的柵極和漏極波形DS 電壓。

對(duì)于 400V 總線電壓 （V總線 = VDS），零件存活到 t南卡羅來(lái)納州 > 30 μs，而在 600 V 時(shí)，t南卡羅來(lái)納州 ~ 17 微秒在BV下艾娃 V總線 = 800-V 條件，部件仍能承受 t南卡羅來(lái)納州 > 10 μs。

器件在斷開(kāi)故障（FTO）模式下使SC失效，如所示。這比較了 IDS-VDS 新零件與已通過(guò)SC測(cè)試失敗的零件之間的波形。BV特性顯示故障器件具有良好的源漏結(jié)性能，柵極泄漏略有增加（IG).

這些器件在重復(fù)的SC測(cè)試中也表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能。顯示了新器件與在V下經(jīng)受30，000次10 μs SC事件周期的器件之間的雙脈沖測(cè)試（DPT）導(dǎo)通和關(guān)斷波形比較總線 的 400 V。這些波形在器件開(kāi)關(guān)頻率為400 V/4 A時(shí)，不會(huì)因重復(fù)的SC循環(huán)而衰減。

在 V 處總線 在 600 V 電壓下，器件經(jīng)受住了 10 μs SC 測(cè)試，可承受 >8，000 次循環(huán)。在周期 #8786 之后的部件中觀察到漸進(jìn)的、非破壞性的故障，直到周期 #9785 的終故障。在這些循環(huán)之間保留門(mén)功能，ID 逐漸減少。這些條件下器件的輸出特性如所示。

SC結(jié)果的討論

該 t南卡羅來(lái)納州 在該器件上測(cè)量的次數(shù)創(chuàng)造了GaN功率器件的新記錄。中的波形顯示I迅速下降DSAT，這是器件 SC 穩(wěn)健性的關(guān)鍵促成因素。

為了進(jìn)一步理解這一點(diǎn)，我DSAT 在SC事件期間減少，讓我們看看影響這一點(diǎn)的因素。顯示了V下總電流密度的仿真DS 3 V 和 400 V.在較高電壓下，鰭片通道在鰭片底部附近明顯變窄。

我DSAT 在通道的底部可以表示為：

我DSAT = q × n × 一個(gè) × V坐

這里 q 是電子電荷， n 是載流子密度， 一個(gè) 是窄電流路徑處的面積橫截面，并且 V坐 是飽和速度。模擬顯示 n 和 一個(gè) 在通道底部，由于耗盡效應(yīng)和JFET結(jié)構(gòu)中較高漏極偏置時(shí)通道中的夾斷。進(jìn)一步 V坐 由于載流子遷移率的降低，溫度也會(huì)隨著溫度的升高而自然降低。模擬顯示溫度（Tj） 與通道底部窄的電流路徑位置重合，有助于降低 V坐.這些因素的結(jié)合導(dǎo)致 我DSAT在SC活動(dòng)期間。這反過(guò)來(lái)又降低了設(shè)備上的壓力，使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的南卡羅來(lái)納州 承受時(shí)間。

FTO模式是有利的，因?yàn)樗试S源漏結(jié)即使在器件發(fā)生故障后也能維持總線電壓。顯示了V時(shí)峰值電場(chǎng)的模擬DS 接近BV艾娃 在SC條件下。峰值位于柵極-漏極結(jié)處，因此在空間上與峰值電流密度的位置分開(kāi)。這與SiC MOSFET不同，SiC MOSFET的峰值電流和電場(chǎng)在p基極/n漂移區(qū)域重合。這可能導(dǎo)致寄生雙極晶體管導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)閂鎖/熱失控，并且通常會(huì)在SiC MOSFET中產(chǎn)生短暫的故障特征。

對(duì)GaN Fin-JFET的仿真還表明，有效去除SC事件期間產(chǎn)生的空穴是在接近BV的電壓下提高SC能力的關(guān)鍵因素艾娃. 在這些條件下，沖擊電離速率在翅片通道的底部達(dá)到峰值。仿真表明，去除空穴的主要途徑是通過(guò)p-GaN柵極。然后，注入柵極的這些空穴有助于電子從源頭泵出，通過(guò)稱為“雪崩通過(guò)鰭片”的過(guò)程與它們重新結(jié)合。5

總之，這些 650V 垂直 Fin-JFET GaN 器件表現(xiàn)出出色的單次和重復(fù) SC 耐受能力，即使在等于或接近器件擊穿電壓的電壓下也是如此。這使得它們非常適合在惡劣的汽車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)和電網(wǎng)應(yīng)用中使用。