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p-GaN HEMT中关态漏电流形成机制的分析
Analysis of the Formation of the Off-State Leakage Current in p-GaN HEMT
| 作者 | Ya-Huan Lee · Po-Hsun Chen · Yu-Hsuan Yeh · Jui-Tse Hsu · Wei-Chieh Hung · Jia-Hong Lin |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年12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 | p-GaN高电子迁移率晶体管 关态漏电流 穿通漏电流 栅极电子注入 陷阱辅助热电子场发射 |
语言:
中文摘要
本研究对 p - 氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的关态漏电流（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex - math></inline - formula>）进行了分析。在漏极偏压较低（约低于 100 V）时，漏电流主要由源电极的穿通漏电流主导，随着偏压升高，<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex - math></inline - formula>增大。然而，当漏极偏压处于中等水平（达到 400 V）时，由于栅极电子注入，穿通漏电流会减小。电子会注入到 GaN 缓冲层，间接导致<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex - math></inline - formula>减小。最后，当漏极偏压较高（达到 700 V）时，主要的漏电路径转变为体电流，其由陷阱辅助热离子场发射（TA - TFE）机制主导。产生的空穴会与注入的电子复合或注入到缓冲层，导致<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I} _{\text {off}}$ </tex - math></inline - formula>显著增大。还采用了可靠性测试来验证这些潜在机制。
English Abstract
In this study, the off-state leakage current ( I _ off ) of p-GaN high electron mobility transistor (HEMT) is analyzed. At low drain bias approximately below 100 V, the leakage is dominated by the punchthrough leakage current from the source electrode, resulting in an increase in I _ off as the bias increases. However, at an intermediate drain bias to 400 V, the punchthrough leakage current will decrease because of the gate electron injection. The electrons will be injected into the GaN buffer layer, indirectly leading to a decrease in I _ off . Lastly, at a higher drain bias of 700 V, the dominant leakage path is converted into the body current, which is dominated by the trap-assisted thermionic field emission (TA-TFE) mechanism. The generated holes will recombine with the injected electrons or inject into the buffer layer, leading to a significant increase in I _ off . The reliability testing is also employed to validate the underlying mechanisms.
S
SunView 深度解读
从阳光电源光伏逆变器和储能系统的核心应用场景来看，这项关于p-GaN HEMT器件关断态漏电流机理的研究具有重要的技术参考价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度的特性，正逐步成为新一代光伏逆变器和储能变流器的关键功率开关元件，直接影响系统的转换效率和可靠性。
该研究揭示了p-GaN HEMT在不同电压区间下漏电流的三种主要机制：低压段（100V以下）的穿通漏电、中压段（400V）栅极电子注入导致的漏电抑制，以及高压段（700V）陷阱辅助热场发射主导的体电流。这一分层机理分析对我们优化1500V高压光伏系统和大容量储能系统的器件选型至关重要。特别是在高压应用中，漏电流的急剧增加会直接导致待机损耗上升和长期可靠性下降，这与我们追求的高效率、长寿命产品目标相悖。
从技术成熟度评估，该研究通过可靠性测试验证了理论机制，为器件设计改进提供了明确方向。对阳光电源而言，这意味着在与GaN器件供应商合作时，可以提出更精准的技术规格要求，如优化缓冲层设计以抑制电子注入、改善陷阱密度控制等。同时，这也为我们自主研发功率模块封装技术提供了理论支撑。
技术挑战在于如何在保证高压阻断能力的同时，有效控制全电压范围内的漏电流。机遇则体现在：通过深度理解漏电机制，可开发出更智能的驱动策略和热管理方案，进一步提升逆变器和储能系统的综合性能，巩固我们在全球新能源装备领域的技术领先地位。