Si襯底GaN基功率開關(guān)器件的發(fā)展?fàn)顩r

在電力電子控制系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)失效安全，器件必須具備常關(guān)型的工作特性。通常對于Si襯底上GaN基功率開關(guān)器件，主流技術(shù)是利用Al-GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處高濃度、高遷移率的 2DEG工作，使器件具有導(dǎo)通電阻小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種AlGaN/GaNHFET即使在外加?xùn)艍簽?的情況下，其器件也處于開啟狀態(tài)。如何實(shí)現(xiàn)高性能的常關(guān)型操作是GaN功率開關(guān)器件面臨 的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)常關(guān)型工作特性的一般思路是保留接入?yún)^(qū)高導(dǎo)通的2DEG，同時(shí)耗盡或截?cái)鄸艠O下方的2DEG，以實(shí)現(xiàn)器件零偏壓下關(guān)斷。目前業(yè)界最普遍采用的常關(guān)型GaN器件的結(jié)構(gòu)有3種：（1） 結(jié)型柵結(jié)構(gòu)（p型柵），（2） 共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)（Cascode），（3）絕緣柵結(jié)構(gòu)（MOSFET）， 如圖表3所示。

（a） p型柵結(jié)構(gòu)

（b） Cascode共源共柵連接結(jié)構(gòu)

（c） 絕緣柵結(jié)構(gòu)

圖表3 GaN常關(guān)型器件結(jié)構(gòu)示意

目前，p型柵結(jié)構(gòu)方案是利用柵極下方的p型（Al）GaN層抬高溝道處的勢壘，從而耗盡溝道中的2DEG來實(shí)現(xiàn)常關(guān)，該結(jié)構(gòu)的制備工藝難度較大，而Cascode 級聯(lián)結(jié)構(gòu)的常關(guān)型器件方案只是暫時(shí)的解決方案。絕緣柵結(jié)構(gòu)使用最普遍的就是凹槽柵結(jié)構(gòu)，通過凹槽切斷柵極下方的2DEG，使得器件在零柵壓下為關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)正柵壓增至大于閱值電壓時(shí)，將在柵界面處形成電子積累層以作為器件的導(dǎo)電溝道，器件呈導(dǎo)通狀態(tài)，屬于“真”常關(guān)器件，因此被稱為增強(qiáng)型GaN FET。