浙大首次報道垂直GaN功率整流器

浙江大學(xué)近期首次報道了沒有電流折疊（即沒有動態(tài)導(dǎo)通電阻降低）的垂直GaN功率整流器（GaN-on-GaN）。這款功率整流器即使在從高反向應(yīng)力偏置切換到500V后也僅需200ns，性能也超過了目前最先進的硅（GaN-on-Si）器件上的橫向氮化鎵。同時，研究團隊通過使用高速雙脈沖測試電路在各種開關(guān)條件下定量評估動態(tài)導(dǎo)通電阻，驗證了垂直GaN功率整流器中實驗無電流折疊性能。

目前，動態(tài)導(dǎo)通電阻降級被認為是傳統(tǒng)的橫向GaN-on-Si器件的主要挑戰(zhàn)，其根本原因包括：

（1）表面俘獲，其容易降低與III族氮化物表面的短距離處的二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電性；

（2）含有深能陷阱的碳摻雜半絕緣緩沖堆棧，可產(chǎn)生負空間電荷并部分耗盡2DEG。

相比之下，由于具有垂直電流和高質(zhì)量同質(zhì)外延GaN漂移層以及良好控制的背景/補償摻雜，垂直GaN-on-GaN器件可以從根本上克服動態(tài)導(dǎo)通電阻降級的巨大挑戰(zhàn)。

圖1：時間分辨動態(tài)RON/staticRON（a）由ZJU開發(fā)的垂直GaN-on-GaN肖特基勢壘二極管；（b）橫向GaN-on-Si商用器件A；和（c）橫向GaN-on-Si商用器件B，其斷開狀態(tài)時間（tOFF_Stress）為100μs，斷態(tài)偏置（VOFF_Stress）從50V增加到500V。還示出了在從（d）不同VOFF_Stress切換到500V，（e）不同tOFF_Stress切換至100s，以及（f）不同溫度切換至150°C后在200ns處提取的三種GaN器件的動態(tài)RON/staticRON。

在不同轉(zhuǎn)換條件下使用雙脈沖測試儀和鉗位電路定量評估動態(tài)導(dǎo)通電阻，包括：

（1）OFF狀態(tài)應(yīng)力偏置高達500V；

（2）OFF狀態(tài)應(yīng)力時間在10-6~102s之間；

（3）高溫高達150℃；

（4）不同負載電流水平。

在所有測試條件下，垂直GaN-on-GaN整流器在從OFF狀態(tài)切換后僅在~200ns內(nèi)沒有動態(tài)導(dǎo)通電阻降級。研究人員認為，垂直GaN-on-GaN整流器整體性能優(yōu)于最先進的商業(yè)橫向GaN-on-Si器件并且在高頻應(yīng)用方面具有巨大潛力。