基于宽禁带半导体GaN的AlGaN/GaN HEMT是下一代大功率电力电子器件的发展方向。然而在高压开关工作下的AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象严重影响着其性能，场板结构是缓解器件电流崩塌的常用手段。国际学术界对场板抑制电流崩塌的机理认识归结为：场板能够减弱漏侧栅极边缘电场集中，减少了栅极向势垒层中电子电荷的注入。
中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台对高压大功率AlGaN/GaN HEMT器件开展了系统的研究，在国际上首次提出并制备了新颖的双栅HEMT器件，这一器件结构不仅能有效改善器件的动态特性，而且还能够帮助人们深入理解场板抑制电流崩塌的机理。研究成果发表在IEEE Electron Device Letters（ vol.34, p.217, 2013）。在国际半导体产业界和学术界具有广泛影响的知名杂志Semiconductor Today对此研究结果进行了报道。（原文链接）
新颖的双栅AlGaN/GaN HEMT器件除主栅之外新加了一个可以单独加信号控制的顶栅，顶栅通过介质层与主栅隔离，覆盖在主栅上方，并且向源端和漏端各有一定长度的延伸（见图1）。
这一双栅AlGaN/GaN HEMT器件能够模拟普通的源场板器件和栅场板器件，即：在动态工作期间，通过对顶栅上加恒定0V电位，使双栅器件等效成源场板器件；在对顶栅施加与主栅相同的电位时，使双栅器件等效成栅场板器件。脉冲开关实验发现（见图2）：普通结构HEMT的开启时间为2.75μs，开态电阻为2916Ω。而源场板和栅场板都使器件的动态特性得到了明显的提高，开启时间和开态电阻分别为：1.6μs和1.05μs，500Ω和470Ω。根据通常解释：电流崩塌主要是由于器件处于关态时，栅电极边缘靠近漏电极一侧会有很大的电场集中，所以在此区域会有大量的电荷被缺陷捕获。场板可以使此处的电场降低，减少此区域被捕获的电荷量，从而使器件的动态性能得到有效的提高。可是为什么栅场板器件的动态特性优于源场板器件？
由于双栅AlGaN/GaN HEMT器件的顶栅可以独立控制，所以器件动态工作时，通过对顶栅在关态下加不同电位，能够对器件的电流崩塌做更深入的研究分析。实验发现，随着顶栅关态下负电位的加大，器件的动态特性变好（见表1）。通过分析，提出了新的解释（见图3）：在关态下，具有场板结构的HEMT器件栅边缘电场不仅强度降低，而且当顶栅上加负电压时，栅边缘的横向电场强度与纵向电场强度的比例会降低，意味着电子的捕获区域范围会减小；再者，栅场板器件在开启状态下，顶栅是处于正压（+1V），能够在沟道中感生出额外的电子；这两个因素决定了栅场板器件抑制电流崩塌效果优于源场板。
双栅AlGaN/GaN HEMT器件不但帮助人们深入认识理解器件的物理机制，而且提供了新的双栅驱动模式，即：主栅脉冲信号在开关状态间切换，顶栅在关断时与主栅电位一致，而在开启时施加更高的正向电位。实验表明：相比于加+1V，顶栅电压在开态时施加+20V，器件的开启时间减小到0.78μs，开态电阻降低到430Ω。
双栅AlGaN/GaN HEMT器件是一种新颖的器件，目前初步的研究结果显示，它不仅能加深人们对器件的认识，而且还能为提高器件的动态性能提供新的解决途径，其潜在的价值还没有完全显现，还需要对这种新器件进行更加深入系统的研究。
图 1、（a）双栅 HEMT 的剖视图，（b）双栅 HEMT 的显微镜照片
图2、（a）动态测试系统简图；（b）双栅器件输入信号和输出信号波形图
图3、（a）关态下，顶栅加0V，栅电极边缘的电场强度；（b）关态下，顶栅加负电压，栅电极边缘的电场强度。
|
VTG-off-state (V) |
τfd (μs) |
Ron_D(Ω) |
|
-5 |
1.25 |
480 |
|
-10 |
0.93 |
440 |
|
-15 |
0.8 |
420 |
表1、开启时间（τfd ）和动态电阻（ Ron_D）与关态顶栅电位
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