AlGaN/GaN HEMT是下一代大功率電力電子器件的發(fā)展方向之一。然而在高壓大功率動態(tài)下工作時(shí)，AlGaN/GaN HEMT會出現(xiàn)動態(tài)特性比靜態(tài)特性變差的現(xiàn)象，即所謂的電流崩塌現(xiàn)象。場板結(jié)構(gòu)是抑制電流崩塌、改善器件動態(tài)特性的常用方法。

中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺對高壓大功率AlGaN/GaN HEMT開展了系統(tǒng)的研究，在國際上首次提出并制備了新穎的雙柵HEMT器件。通過雙柵結(jié)構(gòu)中的頂柵電極（Top-Gate）模擬分析了源場板和柵場板對器件動態(tài)特性的改善原理。研究成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters（vol.34, p.217, 2013）。在國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界具有廣泛影響的雜志Semiconductor Today對此研究結(jié)果進(jìn)行了報(bào)道。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步提出了提高器件動態(tài)性能的工作模式：器件關(guān)態(tài)時(shí)頂柵加0V電壓，開態(tài)時(shí)頂柵加正電壓。并分析了此種工作模式下器件柵漏電極之間漂移區(qū)的動態(tài)導(dǎo)通電阻的分布情況。研究結(jié)果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters（vol.34, p.747, 2013）。Semiconductor Today對此研究結(jié)果進(jìn)行了報(bào)道。

圖1、（a）雙柵HEMT 的剖視圖，（b）雙柵HEMT 的顯微鏡照片

雙柵AlGaN/GaN HEMT器件的獨(dú)特之處在于：具有一個(gè)通過介質(zhì)層與柵電極隔離，覆蓋于柵電極上方的可以單獨(dú)加電壓信號控制的頂柵電極，頂柵電極向源端和漏端各有一定長度的延伸（見圖1）。

器件關(guān)態(tài)時(shí)，頂柵加0V電壓，此時(shí)的頂柵起到場板的作用，可以降低柵漏電極之間的峰值場強(qiáng)，改進(jìn)器件的動態(tài)特性。器件開態(tài)時(shí)，頂柵加正電壓能夠在溝道中感生出額外的電子，感生的電子可以在一定程度上增加2DEG的面密度，從而改進(jìn)動態(tài)特性。基于以上原理，提出了文章中的雙柵AlGaN/GaN HEMT器件的工作模式，頂柵在器件關(guān)態(tài)時(shí)加0V電壓，在器件開態(tài)時(shí)加正電壓。

圖2所示為此工作模式的輸入和輸出電壓波形，從圖中可以看出隨著器件開態(tài)時(shí)頂柵電極所加正電壓的增加，器件的開啟延遲時(shí)間和動態(tài)導(dǎo)通電阻逐漸降低。

圖2、雙柵器件輸入信號和輸出信號波形圖

所測結(jié)果如表1所示，與源場板結(jié)構(gòu)相比（開態(tài)時(shí)頂柵電極加0V電壓），開態(tài)時(shí)頂柵電極加+30V電壓，器件的開態(tài)延遲時(shí)間和動態(tài)導(dǎo)通電阻分別降低55%和17%。基于此種工作模式，研究人員從空間上分析了柵電極和漏電極之間漂移區(qū)電流崩塌對器件動態(tài)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，靠近柵端的電流崩塌對器件的開啟時(shí)間影響較大，靠近漏端的電流崩塌對器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響較大。

表1、開啟延遲時(shí)間（τ_fd）和動態(tài)導(dǎo)通電阻（R_{on_D}）與關(guān)態(tài)頂柵電壓的關(guān)系（V_{TG_on_state}）