提高双向HEMT的阻断电压

摘要：这类器件具有双向电流和双向阻断能力，有望成为许多新型功率转换器（包括矩阵转换器、多电平T型逆变器、电流源逆变器和固态断路器）的候选器件，可提高可再生能源基础设施的效率。

3 kV单片双向GaN HEMT有望成为1200 V级和1700 V级功率转换器的候选器件

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师称，已将单片双向GaN HEMT的击穿电压标准提升至3 kV。

这类器件具有双向电流和双向阻断能力，有望成为许多新型功率转换器（包括矩阵转换器、多电平T型逆变器、电流源逆变器和固态断路器）的候选器件，可提高可再生能源基础设施的效率。

威斯康星大学麦迪逊分校团队发言人Md Tahmidul Alam告诉《化合物半导体》，实现双向功能的传统方法涉及两个晶体管和两个二极管。

这种方法的一个缺点是电阻过高，因为多个元件会对总电阻产生影响。

器件数量多会带来其他问题，包括复杂性的提高和可靠性的降低。Md Tahmidul Alam表示：“四个元件中的任何一个失效，整个系统就无法工作。”他补充道：“使用单个器件实现定向功能可以减少这些复杂问题。”

威斯康星大学麦迪逊分校团队称，他们是首个在单片双向GaN HEMT中突破2 kV大关的团队，其3 kV器件的导通电阻仅为20 Ω mm左右。通过突破2 kV大关，该团队的器件适用于构建1200 V级和1700 V级功率转换器。

对于功率转换器来说，常关晶体管是首选，因为它们能够承受栅极驱动电路的意外损坏。虽然该团队在最新研究中使用了常开晶体管，但这些工程师认为，在制造高压器件时，也可以将类似的概念或设计应用于常关晶体管。

制作单片双向GaN HEMT的第一步是将蓝宝石衬底装入MOCVD反应器，依次沉积2 µm厚的半绝缘GaN层、1 µm厚的无意掺杂GaN层、0.7 nm厚的AlN层、20 nm厚的Al0.24Ga0.76N势垒和3 nm厚的GaN覆盖层。研究团队选用蓝宝石衬底而不是硅衬底，这样他们才能实现超过2 kV的阻断电压。

在将外延片加工成器件的过程中，首先使用光刻和金属沉积形成欧姆接触。接下来的步骤包括：深度为750 nm的台面刻蚀，以隔离器件；添加200 nm厚的镍栅极；通过等离子体增强CVD实现320 nm厚的Si3N4层的表面钝化。

该团队制作了一系列器件，第一场板和第二场板的长度各不相同。两个场板的长度从1 µm到3 µm不等。

对单片双向HEMT进行电气测量，结果表明，其阈值电压稳定在-3.25 V，亚阈值摆幅为92 mV dec-1，导通-关断比超过105。研究团队称，稳定的阈值电压、较低的亚阈值摆幅和较高的导通-关断比使他们的器件适用于高频工作，并具备较低的传导及开关损耗。

对于第一场板长度不超过2 µm的大多数器件，研究团队记录的击穿电压为3 kV，这是测量工具的极限值。然而，第一场板长度增加时，击穿电压会随之降低，可能是因为场板下电场强度的增大引发了较高的轰击电离率。

采用100 µs脉宽进行关态开关电压高达40 V的脉冲电流-电压测量，确定电流崩塌小于10%。

下一个目标是提高击穿电压和/或降低导通电阻。另一个目标是测量晶体管在600 V等高压下的开关性能。

参考文献

M. T. Alam et al. Appl. Phys. Express 18 016501 (2025)

来源：雅时化合物半导体

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