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功率器件技术 GaN器件 ★ 4.0

p-GaN栅极HEMTs的同步光电驱动

SPED)方案演示

作者 Haochen Zhang · Zheng Wu · Longge Deng · Tao Chen · Kevin J. Chen
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年6月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 同步光电子驱动 p-GaN 栅极 HEMT 光电增强导电性 持续光电导性 阈值电压
语言:

中文摘要

我们展示了一种适用于具有半透明栅电极的常关型 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管(HEMT)的同步光子 - 电子驱动(SPED)方案。通过一个与器件栅极端子同步驱动的紫外发光二极管,该 HEMT 的传导电流可以同时通过光子和电子方式实现导通/关断,充分利用了两种驱动方案的优势并克服了它们的缺点。在导通状态下,由于光电增强导电性,与仅采用电子驱动方案相比,在获得相同导通电流时,栅极过驱动电压可降低约 3 V,同时实现相同的导通电阻。在关断状态下,SPED 方案中的电子栅极可以迅速从栅极堆叠中移除光生载流子并关断二维电子气(2DEG)通道,从而使器件避免了通常存在于光电探测器和仅采用光子栅极的光电晶体管中的缓慢光电流拖尾现象。因此,该器件中的持续光电导现象得到抑制,确保了低漏电流以及适用于增强型(E 型)工作模式的稳定阈值电压($V_{TH}$)。

English Abstract

We demonstrate a synchronized photonic- electronic driving (SPED) scheme for normally-off p-GaN gate HEMTs with semi-transparent gate electrodes. With an ultraviolet light-emitting diode synchronously driven with the device’s gate terminal, the HEMT has its conduction current simultaneously switched on/off both photonically and electronically, harnessing the benefits of both driving schemes and overcoming their shortcomings. At on-state, thanks to the photo-electrically enhanced conductivity, the gate overdrive voltage for the same on-current can be lowered by ~3 V compared to the electronic-only driving scheme, delivering the same on-resistance. At off-state, the electronic gate in the SPED scheme can quickly remove the photo-induced carriers from the gate stack and turn off the 2DEG channel, so that the device is free from a slow photocurrent tail that typically exists in photodetectors and photonic-gate-only phototransistors. Hence, the persistent photoconductivity in the device is suppressed, ensuring low leakage current and a stable V _ TH for E-mode operation.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项同步光电驱动(SPED)技术针对p-GaN栅极HEMT器件的创新方案具有重要的战略意义。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率半导体器件的性能直接决定了系统的效率、可靠性和功率密度。

该技术的核心价值在于通过紫外LED与电子栅极的协同驱动,实现了两个关键突破:首先,在导通状态下,光电增强效应使得相同导通电流所需的栅极过驱动电压降低约3V,这意味着驱动电路的功耗和复杂度可显著降低,同时保持相同的导通电阻。对于阳光电源的高频、高效率逆变器产品而言,这将直接转化为系统级效率提升和成本优化。其次,在关断状态下,电子栅极能快速清除光生载流子,抑制了传统光控器件的持续光电导效应,确保了低漏电流和稳定的阈值电压,这对提升器件在高温、高压工况下的可靠性至关重要。

然而,该技术目前仍处于实验室演示阶段,距离产业化应用存在明显挑战。紫外LED的集成、同步控制电路的复杂性、半透明栅极的工艺稳定性以及长期可靠性验证都需要深入研究。此外,附加光源带来的成本增加和系统复杂度提升需要与性能收益进行权衡。

对阳光电源而言,建议将此技术纳入前瞻性研究范畴,重点关注其在超高频(MHz级)、高功率密度应用场景的潜力,如下一代碳化硅基逆变器和高性能储能PCS系统。同时可探索与半导体厂商的联合开发,推动技术从实验室向产品化过渡。