【2017海学联】P型栅氮化镓大功率高电子迁移率晶体管(HEMT)量产关键技术突破及产业化

发布时间:2017-3-27 10:40:00

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   项目简介

P型栅极氮化镓HEMT早在2010年就开始商业化,虽然P型栅极氮化镓HEMT的优越性能已经得到业界的认可,但要达到大范围应用及商业化仍有几项关键技术点需要突破。

其中P型栅极氮化镓HEMT未能大范围应用的原因是阈值电压及承受的栅极电压范围较小,以600V等级的P型栅极氮化镓HEMT为例,阈值电压一般都低于2V,相比之下,相同电压等级的硅基大功率MOSFET,其阈值电压可以轻松到3V以上。现有商业化的P型栅极氮化镓HEMT,其最大栅偏压一般在4-7V范围。而传统的硅基大功率MOSFET的最大栅偏压可以达到20-30V之间。低阈值电压及小的栅极电压承受范围,使得晶体管的封装成为一个极大的挑战;晶体管器件的寄生电感会导致重大的阈值电压波动,这种波动会导致本应关闭的器件发生错误开启。晶体管开关转换过程中的波动,会导致栅极电压超过晶体管可承受的最大栅偏压,从而最终导致器件失效。

P型栅极氮化镓HEMT的P型保护层的电荷储存也是一个关键问题点。在器件处于关断状态的高电压应力作用下会发生电荷的储存,储存的负电荷会导致更高的动态阈值电压。优化的栅极驱动方式设计虽然可以确保P型栅极氮化镓HEMT在开关过程中拥有低的启动电阻,但阈值电压的漂移是无法避免的。这进一步增加了封装的难度, 因为考虑到阈值电压不稳定时会使栅极驱动电压范围比原来已经偏低的值更低。

所以,尽量降低栅极控制回路的电感是增加P型栅氮化镓HEMT的长期可靠性的重要方法,另一个有效降低栅极电压波动的方法是通过封装设计使用Kelvin源极来控制回路,从而将功率回路与栅极回路分开。这样使得控制回路中没有高负载电流,从而有效降低寄生源电感。

针对P型栅氮化镓HEMT开关过程中的不稳定的阈值电压,必须先详细了解其机理,再配合栅极金属结构去进行相关研究,同时必须确保相关实验结果与计算机数值仿真结果一致,这样才能达到一个详尽的了解,从而一步一步突破该技术难点。

专家团队介绍

    陈敬教授1998年在北京大学获得学士学位,1993年在美国马里兰大学获得博士学位。他在日本NTT LSI实验室已经美国Agilent公司从事III-V族高频器件技术的研发,获得了丰富的产业经验。陈敬教授在2000年加入香港科技大学。现在,他是电子与计算机系的正教授。    

    陈敬教授的团队开发了F离子注入技术,实现了常关型GaN HEMT。陈教授的团队利用极化补偿的原理,开发了基于PEALD-AlN的钝化技术,该技术在没有场板的情况,已经能有效地抑制600V开关过程中的动态电阻退化。该团队所发明的光泵浦技术巧妙低利用了异质结肖特基场致发光的原理,对器件体内的深能级进行了抑制,进一步提高了器件的动态特性。该团队开发了MIS界面氮化技术,有效地抑制了MIS界面态,显著地提升了GaN MIS器件的稳定性。该团队提出了双沟道MOS-HEMT结构,有效地将GaN常关型器件的导通电阻降低到常开型器件的水平。该团队开发了LPCVD SiN技术作为GaN HEMT的栅介质。该技术显著提升了GaN MOS器件的可靠性,为GaN MOS类器件的产业化奠定了基础。国际期刊和会议上发表了超过400篇学术论文。他的团队在国际电子器件会议上做过21次学术报告。陈敬教授有9项关于GaN技术的美国专利。目前,陈敬教授的团队有9名博士研究生和1名博士后研究员。团队目前主要从事GaN高功率和高频率器件的研究。 

    

陈敬教授是IEEE Fellow。他在IEEE Electron Device Society担任技术委员。他在2013年担任IEEE Transactions on Electron Devices期刊“GaN电子器件”特刊的特邀编辑。目前,他担任IEEE Transactions on Electron Devices期刊的编辑,以及IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques和Japanese Journal of Applied Physics的编辑。

项目所处阶段

多片P型栅氮化镓HEMT的晶圆片已经被成功制造出来,初步的电学特性测试已经完成。进行进一步的特性分析,需要先对器件进行封装,封装方法和技术对P型栅氮化镓HEMT在开关应用有重要的影响,这些影响需要进一步的研究。

希望寻求的合作企业或企业方向

合作方式

资金需求

合作研发

直接产业化

风投

双方投入

广东晶科电子股份有限公司