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美国弗吉尼亚理工学院、州立大学和NexGen电力系统公司首次对垂直氮化镓（GaN）功率晶体管的动态电阻（ RON）和阈值电压（VTH）稳定性进行了实验表征。研究人员研究了额定电压高达1200V（1.2kV）的NexGen结型场效应晶体管（JFET）器件。

动态 RON描述了开关晶体管的电阻相对于稳定直流状态下的电阻的增加。该团队评论道：“这个问题可能会导致器件的导通损耗增加，并缩短器件在应用中的寿命。”

研究人员将NexGen的650V/200mΩ和1200V/70mΩ级GaN JFET（图1）的性能与商用650V和1200V碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，IMZA65R083M1H，C3M0075120D）以及具有肖特基型p-GaN栅极的650V GaN高电子迁移率晶体管（SP-HEMT，GS-065-011-1-L）的性能进行了比较。

图1：（a）垂直GaN JFET的示意图。在25-150°C下，以25°C为增量阶跃的1.2kV器件的特性：（b）对数和线性刻度上的传输、漏极电流（ID）与栅极电势（VGS）的关系；（c）IG与VGS的关系；以及（d）输出。

NexGen的器件是在100mm的体氮化镓衬底上制造的。鳍状通道的高度约为1μm，宽度约为亚微米。栅极由鳍片之间的注入p-GaN区域组成。对于650V和1200V器件，鳍状通道和漏极之间的漂移区分别约为8μm和10μm。相应的雪崩击穿电压估计为800V和1500V。

1.2kV JFET的阈值电压（VTH）在25°C时为1.6V，在150°C时降至1.45V。在20mA IG 下， RON在25°C时约为70mΩ，在150°C时增加到150mΩ。

图2：650V额定（a）SiC MOSFET，（b）GaN JFET，（c）GaN SP-HEMT和（d）1200V GaN JFET的动态 RON和归一化动态 RON与VIN的关系，脉冲宽度为3μs。（e）和（f）1200V GaN JFET在800V VIN（10A稳态）下的动态 RON性能，分别与1μs脉冲峰值漏电流和TC（有/无冷却）的关系。

研究人员使用带有主动测量电路的连续硬开关双脉冲测试（DPT）来评估动态 RON性能（图2）。这些器件采用双扁平无引线（DFN）封装，使用热成像确定外壳温度（ RON）。风扇冷却应用于SiC MOSFET和GaN SP-HEMT比较器件，但不应用于GaN JFET。根据所测 RON下的静态  RON对  RON值进行归一化。

研究人员评论道：“结果表明，650V和1200V GaN JFET都是动态  RON自由型的。”

研究人员还进行了静态应力测试，以确定  RON和VTH值在功率器件大部分关闭的应用场景下的稳定性。1200V JFET的最大VTH和  RON偏移分别为0.05%和1.38%。相比之下，650V GaN SP-HEMT的相应偏移量分别为20%和10%。

研究人员还比较了JFET和HEMT结构的模拟，以分析动态  RON和静态稳定性性能的差异。该团队认为，关键差异在于峰值电场的位置，通常出现在边缘终止附近。在HEMT结构中，峰值电场距离器件表面仅20-30nm，而在JFET中，峰值电场埋在距离表面约1μm处。结合体GaN上生长的外延层中的低缺陷密度，表面和缓冲陷阱在很大程度上被抑制，减少了状态变化的延迟，几乎消除了GaN JFET中的动态  RON。

研究人员补充说：“最后，与HEMT中的p-GaN/AlGaN/GaN异质栅极相比，JFET中的本征p-n结栅极没有能带不连续性，从而能够实现更高效的载流子供应或提取（特别是在SP-HEMT中p-GaN的肖特基接触的情况下）。”

关键词： 氮化镓 结型场效应晶体管