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缓冲层自由AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中陷阱的自感应光电离
Self-Induced Photoionization of Traps in Buffer-Free AlGaN/GaN HEMTs
| 作者 | Francesco De Pieri · Mirko Fornasier · Veronica Gao Zhan · Manuel Fregolent · Carlo De Santi · Fabiana Rampazzo |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | AlGaN/GaN HEMTs 去俘获机制 偏置条件 高能光子 器件建模 |
语言:
中文摘要
本文研究了碳化硅衬底上无缓冲层的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中的去俘获机制及其与外加偏压的关系。研究表明，当器件处于半导通状态偏置，或者在源极和漏极接地的情况下对栅肖特基结施加正向偏压时，去俘获时间常数会减小几个数量级。尽管在电荷输运和发光方面涉及完全不同的机制，但这两种偏置条件都会引发高能光子（能量 E > 2 电子伏特）的发射，这些光子可以使陷阱发生光电离，从而加速恢复过程。本文所展示的数据表明，只有在器件建模中考虑光学效应，才能对氮化镓器件的行为进行真实的描述。
English Abstract
Detrapping mechanisms and their dependence on applied bias have been studied in buffer-free AlGaN/GaN HEMTs on SiC. It is shown that the detrapping time constant decreases by orders of magnitude when the device is biased in semi-on conditions, or if the gate Schottky junction is forward biased with source and drain at ground. Despite completely different mechanisms are involved concerning charge transport and light emission, both bias conditions induce emission of high-energy photons (E>2 eV) which can photoionize traps, thus enhancing the recovery process. Data shown here suggest that a realistic description of GaN device behaviour can only be achieved by including optical effects in device modeling.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于无缓冲层AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）陷阱自致光电离机制的研究具有重要的技术价值。GaN器件凭借其高频、高效、高功率密度特性，已成为我司新一代光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件，直接影响系统效率和可靠性。
该研究揭示的陷阱去捕获机制对我司产品优化具有双重意义。首先，研究发现在半导通状态或正向偏置条件下，器件内部产生的高能光子（能量>2 eV）可使陷阱去捕获时间常数降低数个数量级。这一现象直接关联到逆变器在实际工况下的动态响应特性和开关损耗。理解这种光电离效应，有助于我们优化MPPT算法和功率调制策略，减少因陷阱效应导致的动态导通电阻增加，从而提升系统整体效率0.5-1个百分点，这在大型地面电站中意味着显著的经济效益。
其次，论文强调必须在器件建模中纳入光学效应，这为我司自主研发的功率模块仿真平台提供了重要指引。传统电热模型无法准确预测GaN器件在复杂工况下的行为，而考虑光电效应的多物理场耦合模型将显著提高仿真精度，缩短产品开发周期。
技术挑战在于将这种微观机制的理解转化为实用的器件筛选标准和电路设计准则。建议我司与上游GaN芯片供应商建立深度合作，推动针对新能源应用场景的定制化器件开发，同时在储能双向变流器等高频开关应用中率先验证优化方案，抢占技术制高点。