宽禁带科技论|北京大学成功研制无衬偏效应的GaN-on-Si单芯片集成双向开关器件

拥有双向导通、双向耐压的能力的双向功率开关（BDS）是诸多高效转换器拓扑，例如T型逆变器、矩阵逆变器、双有源电桥等的核心元件。传统的双向器件通常由两个分立的硅（Si）基或碳化硅（SiC）基器件串联形成，其电阻是常规单向器件的两倍。氮化镓（GaN）器件具有横向结构，能够通过共享漏级的方式集成两个反向串联的器件，大大减小双向器件的导通电阻。低电阻的GaN双向器件使得诸多高效电路结构——例如单级AC-DC转换器——成为可能，是近年来功率电子领域极受关注的研究方向。

图1 共享漏极的传统GaN双向器件。

目前，由于硅衬底价格低廉的特性，商用GaN器件通常基于硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术。在GaN单向器件中，需要将硅衬底接源级来保证开关过程中衬底电势的稳定性。然而，在GaN双向器件中，为保证器件对称性，需将衬底浮空。浮空的硅衬底会在器件耐受高压时呈现正电势，导致缓冲层负电荷，使得器件动态导通电阻严重退化。

图2 GaN双向器件中动态电阻的严重退化。

北京大学魏进/沈波课题组在著名学术期刊Applied Physics Letter发表题目为"GaN-on-Si monolithic bidirectional switch with virtual body to suppress substrate-induced dynamic ON-resistance degradation"的研究论文，北京大学集成电路学院博士研究生常昊、杨俊杰为论文共同一作。论文提出使用虚拟体（Virtual body）技术从器件层面上解决GaN双向器件的衬底效应。本文通过在GaN沟道层和缓冲层之间插入一AlGaN背势垒层，使得从p-GaN栅极注入的空穴被AlGaN背势垒层阻挡并在背势垒层上表面扩散，形成一空穴层，有效地屏蔽衬底电势变化导致的缓冲层负电荷对沟道电子浓度的影响。

图3 虚拟体（Virtual body）GaN双向器件。

图4 虚拟体技术对GaN双向器件衬底效应的抑制作用。

本文还制备了一个特殊设计的测试结构来检测虚拟体的形成过程。该测试结构中有一个p-GaN栅极、一个欧姆接触，用以模拟栅极开启时器件中的空穴注入。特别地，在测试结构侧壁嵌入了一个接触金属用以收集沿着AlGaN扩散的空穴。在p-GaN栅极上施加一系列电压脉冲时，在具有AlGaN背势垒层的测试结构中，能够观察到侧壁金属接触中快速的电流响应，说明栅极开启后，空穴层的快速形成。

图5 特殊测试结构检测虚拟体的形成。

最终，在交流斩波测试中验证了所提出的虚拟体GaN双向器件的性能。其中，交流源的幅值为±400 V，频率为250 Hz，双向器件的衬底浮空、两个栅极同时以5 kHz的频率开关。在测试中，所提出的虚拟体GaN双向器件呈现出稳定的双向导通、双向耐压特性。

图6 高压交流斩波测试。

文章来源：北京大学魏进/沈波课题组

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