在金属/绝缘体/p-GaN栅极高电子迁移率晶体管中同时实现大的栅压摆幅和增强的阈值电压稳定性

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标题：Simultaneously Achieving Large Gate Swing and Enhanced Threshold Voltage Stability in Metal/Insulator/p-GaN Gate HEMT (IEDM2023)

摘要

摘要：对于增强型GaN功率晶体管的发展，栅压摆幅和阈值电压稳定性通常是互相排斥的。本文展示了一种具有内置p-GaN电位稳定器(PPS)的金属/绝缘体/p-GaN栅极高电子迁移率晶体管(MIP-HEMT)，能够同时实现大的栅压摆幅和增强的阈值电压稳定性。MIP栅结构将栅压摆幅扩大到19.5V，并作为一个交流耦合电容器（常用于栅驱动器中，以加快欧姆型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管的开关速度）。PPS由两个D型HEMT并联在金属栅和p-GaN栅之间组成。其中一个D-HEMT提供一个小的恒定栅电流，以维持p-GaN在导通状态下的电位。另一个D-HEMT将p-GaN与源极接地，在关断状态下消除浮动的p-GaN效应，从而实现卓越的阈值电压稳定性。

文章研究了什么

• 开发了一种具有内置p-GaN电位稳定器(PPS)的金属/绝缘体/p-GaN栅极高电子迁移率晶体管(MIP-HEMT)，以实现大的栅压摆幅和增强的阈值电压(V_TH)稳定性。
• MIP-HEMT中的MIP栅结构将栅压摆幅扩大到19.5V，并作为交流耦合电容器，加快了欧姆型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管的开关速度。
• MIP-HEMT中的PPS由两个D型HEMT并联在金属栅和p-GaN栅之间。其中一个D-HEMT提供一个小的恒定栅电流，以维持p-GaN在导通状态下的电位，而另一个D-HEMT将p-GaN接地到源极，在关断状态下消除了浮动的p-GaN效应，从而实现了卓越的V_TH稳定性。
• MIP-HEMT与PPS成功地抑制了栅-漏应力后的正向V_TH偏移和高漏极偏置时的负向V_TH偏移，打破了增强型GaN功率晶体管在栅压摆幅和V_TH稳定性之间的困境。
• MIP-HEMT与PPS显示出与传统HEMT(Conv-HEMT)相似的击穿电压，比没有PPS的MIP-HEMT具有更高的击穿电压，凸显了PPS对MIP-HEMT的可靠操作的重要性。
• MIP-HEMT与PPS消除了浮动p-GaN效应，实现了稳定的V_TH，而没有PPS的MIP-HEMT和肖特基型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管(Sch-HEMT)由于栅或漏应力后浮动p-GaN层中的电荷储存而出现动态V_TH不稳定性。
• MIP-HEMT与PPS还抑制了漏极与p-GaN之间的电容耦合引起的势垒降低效应，使在高漏极偏置下的V_TH保持稳定。

文章的创新点

• 介绍了一种具有内置p-GaN电位稳定器(PPS)的金属/绝缘体/p-GaN栅极高电子迁移率晶体管(MIP-HEMT)，能够同时实现大的栅压摆幅和增强的阈值电压(V_TH)稳定性。这解决了增强型GaN功率晶体管中栅压摆幅和VTH稳定性互相排斥的问题。
• MIP-HEMT中的MIP栅结构将栅压摆幅扩大到19.5V，并作为交流耦合电容器，加快了欧姆型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管的开关速度。
• MIP-HEMT中的PPS由两个D型HEMT并联在金属栅和p-GaN栅之间。其中一个D-HEMT提供一个小的恒定栅电流，以维持p-GaN在导通状态下的电位，而另一个D-HEMT将p-GaN接地到源极，在关断状态下消除了浮动的p-GaN效应，从而实现了卓越的V_TH稳定性。
• MIP-HEMT与PPS成功地抑制了栅-漏应力后的正向V_TH偏移和高漏极偏置时的负向V_TH偏移，打破了增强型GaN功率晶体管中栅压摆幅和VTH稳定性之间的困境。
• MIP-HEMT与PPS显示出与传统HEMT(Conv-HEMT)相似的击穿电压，比没有PPS的MIP-HEMT具有更高的击穿电压，凸显了PPS对MIP-HEMT可靠运行的重要性。

文章的结论

• 本文得出结论，具有内置p-GaN电位稳定器(PPS)的金属/绝缘体/p-GaN栅极高电子迁移率晶体管(MIP-HEMT)成功解决了增强型GaN功率晶体管中栅压摆幅和阈值电压(VTH)稳定性之间的困境。
• MIP-HEMT与PPS实现了大约19.5V的栅压摆幅，并通过消除浮动的p-GaN效应来增强VTH稳定性。
• MIP-HEMT中的MIP栅结构作为交流耦合电容器，加快了欧姆型p-GaN栅极高电子迁移率晶体管的开关速度。
• PPS由两个D型HEMT组成，提供一个小的恒定栅电流以维持导通状态下p-GaN的电位，并在关断状态下将p-GaN接地到源极。这消除了浮动的p-GaN效应，并确保了卓越的VTH稳定性。
• MIP-HEMT与PPS成功地抑制了栅-漏应力后的正向VTH偏移和高漏极偏置时的负向VTH偏移。
• 该研究展示了PPS对MIP-HEMT可靠运行的重要性，以及其在增强型GaN功率晶体管中的潜力。

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