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低温预应力下p-GaN HEMT中陷阱解冻引起的阈值电压不稳定性
Trap Thawing-Induced Threshold Voltage Instability in p-GaN HEMTs at Cryogenic Temperatures During Pre-Stress
| 作者 | Chuan Song · Wen Yang · Weijian Wang · Jianlang Liao · Peng Wu · Huaxing Jiang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN HEMTs 低温温度 陷阱解冻效应 阈值电压漂移 栅极泄漏电流 |
语言:
中文摘要
本文研究了低温下 p - 氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中的预应力，揭示了陷阱解冻效应：被冻结的空穴陷阱从高能电子处获取能量，导致其解冻并引起阈值电压（VTH）正向漂移。预应力激活了额外的空穴陷阱，这导致了由普尔 - 弗兰克尔（PF）发射引起的栅极泄漏电流（IGSS）。通过对栅极泄漏电流、电容深能级瞬态谱（C - DLTS）进行分析以及开展 TCAD 仿真，以确定其潜在机制。我们的研究结果完善了低温下陷阱的整体行为，为 p - GaN HEMT 在超导系统和空间电子学等广泛低温应用中的可靠性提供了更全面的理解。
English Abstract
In this paper, the pre-stress in p-GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs) at cryogenic temperatures is investigated, revealing the trap thaw-out effect: the frozen hole traps acquire energy from high-energy electrons, leading to their thawing and causing a positive threshold voltage (VTH) shift. The pre-stress activates additional hole traps, contributing to the gate leakage current (IGSS) induced by Poole-Frenkel (PF) emission. The analyses of IGSS, capacitance deep-level transient spectroscopy (C-DLTS), and TCAD simulation are conducted to identify the underlying mechanisms. Our findings refine the overall behavior of traps at cryogenic temperatures, providing a more comprehensive understanding of p-GaN HEMTs reliability for wide cryogenic applications, such as superconducting systems and space electronics.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于p-GaN HEMTs在极低温环境下阈值电压不稳定性的研究具有重要的前瞻性意义。GaN基功率器件凭借其高频、高效、高功率密度的特性，已成为我司新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向。该研究揭示的"陷阱解冻效应"及其导致的阈值电压漂移机制，为我们在极端工况下的产品可靠性设计提供了关键理论支撑。
对于阳光电源的实际应用场景，该技术的价值体现在多个维度。首先，在高海拔、高纬度地区的光伏电站中，逆变器常面临-40℃以下的极寒环境，p-GaN器件的低温特性直接影响系统稳定性和转换效率。其次，随着我司布局液冷储能系统和氢能装备，部分应用场景可能涉及深冷工况，理解陷阱动态行为对提升产品寿命至关重要。此外，该研究为我们开发面向航天、极地等特殊市场的高可靠性电源解决方案奠定了基础。
从技术成熟度评估，该研究尚处于机理探索阶段，距离工程化应用仍有距离。主要挑战在于：如何在器件设计层面抑制预应力引发的陷阱激活，以及如何建立覆盖全温域的可靠性评估体系。建议我司技术团队关注后续研究进展，特别是C-DLTS测试方法和TCAD仿真技术的应用，这些可直接用于我们的器件筛选和系统级热管理优化。同时，可考虑与高校合作开展定制化研究，针对光伏逆变器的实际工况建立专用的低温可靠性模型，抢占极端环境应用的技术制高点。