美國弗吉尼亞理工學(xué)院、州立大學(xué)和NexGen電力系統(tǒng)公司首次對垂直氮化鎵（GaN）功率晶體管的動態(tài)電阻（ RON）和閾值電壓（VTH）穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗表征。研究人員研究了額定電壓高達(dá)1200V（1.2kV）的NexGen結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）器件。

動態(tài) RON描述了開關(guān)晶體管的電阻相對于穩(wěn)定直流狀態(tài)下的電阻的增加。該團(tuán)隊評論道：“這個問題可能會導(dǎo)致器件的導(dǎo)通損耗增加，并縮短器件在應(yīng)用中的壽命?！?/p>

研究人員將NexGen的650V/200mΩ和1200V/70mΩ級GaN JFET（圖1）的性能與商用650V和1200V碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET，IMZA65R083M1H，C3M0075120D）以及具有肖特基型p-GaN柵極的650V GaN高電子遷移率晶體管（SP-HEMT，GS-065-011-1-L）的性能進(jìn)行了比較。

圖1：（a）垂直GaN JFET的示意圖。在25-150°C下，以25°C為增量階躍的1.2kV器件的特性：（b）對數(shù)和線性刻度上的傳輸、漏極電流（ID）與柵極電勢（VGS）的關(guān)系；（c）IG與VGS的關(guān)系；以及（d）輸出。

NexGen的器件是在100mm的體氮化鎵襯底上制造的。鰭狀通道的高度約為1μm，寬度約為亞微米。柵極由鰭片之間的注入p-GaN區(qū)域組成。對于650V和1200V器件，鰭狀通道和漏極之間的漂移區(qū)分別約為8μm和10μm。相應(yīng)的雪崩擊穿電壓估計為800V和1500V。

1.2kV JFET的閾值電壓（VTH）在25°C時為1.6V，在150°C時降至1.45V。在20mA IG 下， RON在25°C時約為70mΩ，在150°C時增加到150mΩ。

圖2：650V額定（a）SiC MOSFET，（b）GaN JFET，（c）GaN SP-HEMT和（d）1200V GaN JFET的動態(tài) RON和歸一化動態(tài) RON與VIN的關(guān)系，脈沖寬度為3μs。（e）和（f）1200V GaN JFET在800V VIN（10A穩(wěn)態(tài)）下的動態(tài) RON性能，分別與1μs脈沖峰值漏電流和TC（有/無冷卻）的關(guān)系。

研究人員使用帶有主動測量電路的連續(xù)硬開關(guān)雙脈沖測試（DPT）來評估動態(tài) RON性能（圖2）。這些器件采用雙扁平無引線（DFN）封裝，使用熱成像確定外殼溫度（ RON）。風(fēng)扇冷卻應(yīng)用于SiC MOSFET和GaN SP-HEMT比較器件，但不應(yīng)用于GaN JFET。根據(jù)所測 RON下的靜態(tài)  RON對  RON值進(jìn)行歸一化。

研究人員評論道：“結(jié)果表明，650V和1200V GaN JFET都是動態(tài)  RON自由型的?！?/p>

研究人員還進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力測試，以確定  RON和VTH值在功率器件大部分關(guān)閉的應(yīng)用場景下的穩(wěn)定性。1200V JFET的最大VTH和  RON偏移分別為0.05%和1.38%。相比之下，650V GaN SP-HEMT的相應(yīng)偏移量分別為20%和10%。

研究人員還比較了JFET和HEMT結(jié)構(gòu)的模擬，以分析動態(tài)  RON和靜態(tài)穩(wěn)定性性能的差異。該團(tuán)隊認(rèn)為，關(guān)鍵差異在于峰值電場的位置，通常出現(xiàn)在邊緣終止附近。在HEMT結(jié)構(gòu)中，峰值電場距離器件表面僅20-30nm，而在JFET中，峰值電場埋在距離表面約1μm處。結(jié)合體GaN上生長的外延層中的低缺陷密度，表面和緩沖陷阱在很大程度上被抑制，減少了狀態(tài)變化的延遲，幾乎消除了GaN JFET中的動態(tài)  RON。

研究人員補(bǔ)充說：“最后，與HEMT中的p-GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)柵極相比，JFET中的本征p-n結(jié)柵極沒有能帶不連續(xù)性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的載流子供應(yīng)或提?。ㄌ貏e是在SP-HEMT中p-GaN的肖特基接觸的情況下）?！?/p>