← 返回
p型GaN高电子迁移率晶体管中关态应力诱导非均匀捕获现象的研究
Investigation of Off-State Stress-Induced Nonuniform Trapping Phenomenon in p-Type GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs)
| 作者 | Chung-Wei Wu · Po-Hsun Chen · Ming-Chen Chen · Yu-Hsuan Yeh · Yong-Ci Zhang · Ting-Tzu Kuo |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 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型氮化镓高电子迁移率晶体管 非均匀电子俘获 亚阈值摆幅退化 TCAD模拟 俘获机制 |
语言:
中文摘要
本研究探讨了 p 型氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在关态应力（OSS）下的非均匀电子俘获行为。亚阈值摆幅（SS）退化是由电子非均匀俘获到 AlGaN 层所诱导的穿通电流引起的。进行了技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，以重现器件在关态应力下的电场分布以及沿沟道的电势分布。仿真结果表明，在漏极侧的栅极/p - GaN/AlGaN 叠层处存在强电场。相应地，p - GaN 层中会产生一个耗尽区，导致电子在漏极侧的 AlGaN 层中被俘获。随后，提出了一个物理模型来解释这种俘获机制。此外，$I_{D}$ - $V_{G}$ 转移特性的退化行为以及$C_{GS}$ - $V_{G}$ 转移曲线的两步开启行为进一步证实了非均匀俘获现象的存在。
English Abstract
This study discusses the nonuniform electron trapping behavior under off-state stress (OSS) in p-gallium nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs). The subthreshold swing (SS) degradation is generated from the punchthrough current induced by the nonuniform electron trapping into the AlGaN layer. Technology computer-aided design (TCAD) simulations are performed to replicate the electric field distribution across the device and the electric potential distribution along the channel under OSS. The simulation results indicate a strong electric field exists at the gate/p-GaN/AlGaN stack of the drain side. Accordingly, a depletion region is generated in the p-GaN layer, leading to electron trapping in the AlGaN layer of the drain side. Subsequently, a physical model is proposed to explain the trapping mechanism. Moreover, the degradation behavior of the I_D - V_G transfer characteristics and the two-step turn-on behavior of the C_ GS - V_G transfer curve further validate the presence of a nonuniform trapping phenomenon.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于p-GaN HEMT器件非均匀电子陷阱效应的研究具有重要的战略意义。GaN功率器件凭借其高频开关、低导通损耗和高温特性，已成为我们新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向，直接影响系统效率和可靠性指标。
该研究深入揭示了p-GaN HEMT在关断状态应力下的退化机理，特别是漏极侧AlGaN层中非均匀电子陷阱导致的亚阈值摆幅恶化现象。这一发现对我们的产品设计具有直接指导价值：在高压大功率应用场景中，逆变器和储能系统频繁经历开关循环，器件长期承受关断态高压应力，论文所述的陷阱效应会累积导致器件参数漂移，影响开关特性的一致性和长期稳定性。理解栅极/p-GaN/AlGaN界面处的强电场分布机制，有助于我们优化器件选型标准和驱动电路设计，通过合理的栅极偏置策略和热管理方案减缓退化进程。
从技术成熟度看，该研究仍处于机理探索阶段，但TCAD仿真与实验验证相结合的方法论已较为完善。对阳光电源而言，短期内可将研究结论应用于供应商器件评估体系和加速老化测试规范的制定；中长期则可与器件厂商深度合作，通过优化p-GaN层掺杂浓度、调整外延结构等方式从源头提升器件抗退化能力。
主要挑战在于将实验室发现转化为量产器件的可靠性提升方案，需要平衡性能、成本与工艺复杂度。但这同时也是技术机遇：率先掌握GaN器件退化规律并建立相应的补偿技术，将增强我们在25年以上生命周期要求的光伏储能系统中的竞争优势。