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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。