在電力電子控制系統中,為了保證系統失效安全,器件必須具備常關型的工作特性。通常對于Si襯底上GaN基功率開關器件,主流技術是利用Al-GaN/GaN異質結構界面處高濃度、高遷移率的 2DEG工作,使器件具有導通電阻小、開關速度快的優點。然而,這種AlGaN/GaNHFET即使在外加柵壓為0的情況下,其器件也處于開啟狀態。如何實現高性能的常關型操作是GaN功率開關器件面臨 的一個重要挑戰。
實現常關型工作特性的一般思路是保留接入區高導通的2DEG,同時耗盡或截斷柵極下方的2DEG,以實現器件零偏壓下關斷。目前業界最普遍采用的常關型GaN器件的結構有3種:(1) 結型柵結構(p型柵),(2) 共源共柵級聯結構(Cascode),(3)絕緣柵結構(MOSFET), 如圖表3所示。

(a) p型柵結構

(b) Cascode共源共柵連接結構

(c) 絕緣柵結構
圖表3 GaN常關型器件結構示意
目前,p型柵結構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來實現常關,該結構的制備工藝難度較大,而Cascode 級聯結構的常關型器件方案只是暫時的解決方案。絕緣柵結構使用最普遍的就是凹槽柵結構,通過凹槽切斷柵極下方的2DEG,使得器件在零柵壓下為關斷狀態。當正柵壓增至大于閱值電壓時,將在柵界面處形成電子積累層以作為器件的導電溝道,器件呈導通狀態,屬于“真”常關器件,因此被稱為增強型GaN FET。
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