阈值高达8.4V！GaN又破解一项难题

第三代半导体风向 · 2021-06-11

阈值高达8.4V！GaN又破解一项难题

6月8日，南方科技大学在官网宣布，他们研发的GaN器件取得了突破性进展——成功将器件的阈值从1.7V提升到8.4V，解决了阈值低和阈值不稳定问题。

而有了这项技术，氮化镓有望能够采用通用型驱动器，而无需定制驱动器，可以提高安全性，降低整体成本，将进一步推动氮化镓的普及。

相关研究成果已发表在IEEE International Electron Devices Meeting和IEEE Electron Device Letters上。

插播：加入第三代半导体大佬群，请加微信：hangjiashuo666。

传统难题：

驱动电路复杂

在理想情况下，65%的硅基功率器件应用都可以采用氮化镓进行替代，但是前提是要解决2个问题：成本较高，驱动电路复杂，特别是后者。

相比之下，硅器件驱动电路选择性非常广，而GaN器件对驱动的要求很严苛，需要专门的驱动器，从而增加了设计复杂度，也额外增加了系统成本。

据南科大解释，现有的基于“p型氮化镓肖特基栅极”的商用氮化镓功率晶体管存在阈值低和阈值不稳定问题，从而对栅极驱动电路提出了苛刻的要求，并对整个电路系统的安全性提出了挑战。

为此，通过优化GaN器件结构，来简化驱动设计，成为了业界的研发焦点。

南科大新技术：

阈值高达8.4V

南科大研究发现，栅极p-GaN是氮化镓功率晶体管阈值不稳定性的主要来源。当p-GaN空穴量不足时，功率晶体管的阈值就会往正向漂移。传统氮化镓功率晶体管的p-GaN层为浮空状态，空穴量无法被直接控制，从而导致了器件阈值的不稳定。

为了解决这个问题，南科大提出一个新思路——将栅极p-GaN层用一个p型晶体管与源极进行，通过p型晶体管来控制p-GaN层与源极的空穴交换。

根据该思路，南科大制备了一种新型氮化镓功率晶体管，成功将器件的阈值从1.7V提升到3.2-8.4V范围内，可据需求自由调节，并实现了较高的阈值稳定性。

另外，该器件还解决了另一个难题——在传统的氮化镓功率晶体管中，阈值、反向导通电压、比导通电阻存在很强的耦合关系，无法单独优化其中一个性能，而不影响其他方面的性能。而南科大提出的结构在很大程度上，可以使阈值、反向导通电压、比导通电阻三者进行解耦，从而为同时优化三种性能提供了空间。

有了这项技术突破，预计驱动电路难题将可以得到解决，氮化镓器件未来的发展速度将会越来越快，无论是智能手机，还是厨房电器和电动汽车，氮化镓都有望成为一种高性价比的功率转换解决方案。