一种高性能gan功率整流器分析-analysis of a high performance gan power rectifier.docxVIP

摘 要氮化镓(GaN)功率器件因能实现高功率、高频率、高线性度、高效率等特点吸 引着其在功率器件应用领域的快速发展。整流器在功率应用领域中占有重要地位， 开发一种具有低正向开启电压、低反向漏电和高反向耐压能力的高性能 GaN 功率 整流器对于实际应用具有重要意义。本文的工作就是提出具有该高性能的 GaN 功 率整流器。主要研究内容包括：（1）提出一种具有结终端混合阳极结构的 GaN 功率整流器(AlGaN/GaN Power Rectifier with Edge-Terminated Hybrid Anode, ETH-Rectifier)。ETH-Rectifier 的特点 为：1、采用刻蚀凹槽的方式优化栅下方 AlGaN 势垒层的厚度实现对二维电子气浓 度(2DEG)的调制，从而实现对器件的正向开启电压的调制。仿真表明 ETH-Rectifier 的开启电压为 0.25V，是常规肖特基二极管(SBD)开启电压的 1/6。2、在靠近阴极 一侧的肖特基凹槽中引入结终端大幅降低整流器的反向漏电，提高反向耐压。与 没有结终端的器件相比，该 ETH-Rectifier 的反向漏电流在反向偏压为-100V 时降 低了 5 个量级。在阳极到阴极的距离 Lac=5.0μm 时，没有结终端的器件在漏电流为 10μA/mm 时击穿电压为 400V,而 ETH-Rectifier 在漏电流为 1μA/mm 时击穿电压达 到 510V。且引入 2.0μm 长的场板后，器件耐压值从 510V 提高至 800V，提升了 56.86%。并根据 BFOM 值优化结终端和场板的长分别为 1.0μm 和 2.0μm。（2）根据仿真中 ETH-Rectifier 存在的问题和参数的优化选取，在实际器件设 计中提出优化结构：具有 MIS 栅混合阳极的 GaN 功率整流器(AlGaN/GaN Power Rectifier with MIS-Gated Hybrid Anode, MG-HAR)。MG-HAR 的特点为：1、同样采 用刻蚀凹槽方式调制开启电压，测试表明 MG-HAR 的开启电压为 0.6V，而同比 SBD 的为 0.9V。2、凹槽中全部淀积上栅介质来减小漏电提高耐压。在 Lac=5.0μm 时，偏压-100V 内 MG-HAR 的反向漏电比 SBD 低两个量级。定义 MG-HAR 在漏 电为 10μA/mm 时击穿，则 MG-HAR 在 Lac=5.0μm 和 10.0μm 下击穿电压分别为 438V 和 575V，这已超过 Lac=20.0μm 下 SBD 的击穿电压值(512V@1mA/mm)。Lac=20.0μm 下 MG-HAR 的击穿电压更是可以高达 1100V，且在 790V 之前器件漏电都低于 1μA/mm。关键词：氮化镓(GaN)整流器，凹槽栅，混合阳极，结终端，MISABSTRACTRecent years, GaN (Gallium Nitride) power devices develop very fast in power electronics for their high power, high frequency, high linearity and high efficiency. Rectifiers play an important role in power electronics, but conventional GaN heterojunction Schottky Barrier Diodes and PN Diodes (SBD and PN) have large turn-on voltage for the reason of Schottky Barrier Height and large leakage current for the contact of Schottky metal and semiconductor, which has a dramatic leakage in reverse voltage. Large turn-on voltage can cause large turn-on power dissipation, and to a certain extent device’s safe operation area depends on reverse leakage current and breakdown voltage. So we want to achieve rectifiers with low turn-on voltage, low reverse leakage current and high breakdown vol