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具有分段延伸p型GaN栅极结构的常关型AlGaN/GaN HEMT的电学与光学表征
Electrical and Optical Characterization of a Normally-Off AlGaN/GaN HEMT With a Segmented-Extended p-GaN Gate Structure
| 作者 | Xinyue Dai · Qimeng Jiang · Baikui Li · Haiyang Li · Sen Huang · Jie Fan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8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 | SEP-HEMT p-GaN 栅极结构 关态漏电流 动态特性 导通电阻退化 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种分段扩展 p - GaN（SEP）栅极结构，并将其应用于 p - GaN/AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中。与传统的 p - GaN HEMT 相比，SEP - HEMT 具有以下特点：1）关态泄漏电流降低，击穿电压提高，这归因于扩展 p - GaN（EP）区域实现了电场分布的优化；2）分段架构抑制了寄生效应，从而改善了动态特性。通过脉冲 I - V 测量研究了器件的动态行为，结果表明，在评估的结构中，SEP - HEMT 的动态退化最小。电致发光（EL）表征显示，在开态偏置下，p - GaN 扩展区域有明显的 EL 发射，证实了 EP 区域存在电势抬升。此外，半开态条件下的 EL 映射直接显示了随着漏极偏置增加，耗尽区的扩展情况，证明了峰值电场得到了有效平滑。SEP 结构为优化 p - GaN 栅极 HEMT 的动态导通电阻退化问题提供了一种有效的解决方案。
English Abstract
A segmented-extended p-GaN (SEP) gate structure is proposed and implemented in a p-GaN/ AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT). Compared to conventional p-GaN HEMTs, the SEP-HEMT exhibits: 1) reduced off-state leakage current and enhanced breakdown voltage, attributed to optimized electric field distribution enabled by the extended p-GaN (EP) regions and 2) improved dynamic characteristics from suppressed parasitic effects in the segmented architecture. The dynamic behavior of the devices is investigated through pulsed I–V measurements, where the SEP-HEMT demonstrates the lowest dynamic degradation among the evaluated structures. Electroluminescence (EL) characterization reveals distinct EL emission from the p-GaN extension regions under on-state bias, verifying potential lift-up in EP regions. Furthermore, EL mapping under semi-on conditions directly visualizes depletion region expansion with increasing drain bias, demonstrating effective peak electric field smoothing. The SEP structure offers an effective solution for optimizing dynamic on-resistance degradation in p-GaN gate HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项分段延伸p-GaN栅极结构的GaN HEMT技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件，常关型（Normally-Off）GaN器件是实现高效率、高功率密度系统的关键突破点。
该技术的核心价值体现在三个维度：首先，降低的关态漏电流和提升的击穿电压直接提高了器件的可靠性和耐压能力，这对于我们的1500V高压光伏系统和高压储能应用至关重要，可有效降低系统损耗并提升安全裕度。其次，改善的动态特性和抑制的寄生效应意味着器件在高频开关工况下表现更稳定，这将使我们的逆变器和变流器能够在更高开关频率下工作，从而减小磁性元件体积，提升功率密度，契合产品小型化、轻量化的发展趋势。第三，动态导通电阻退化的优化直接降低了导通损耗，可将系统效率推向99%以上的新高度。
从技术成熟度评估，该研究已完成器件级验证并通过电致发光表征揭示了物理机制，但距离量产仍需关注工艺一致性、长期可靠性和成本控制。对阳光电源而言，关键机遇在于与GaN器件厂商建立深度合作，参与器件定制开发，将这类先进结构应用于下一代高频、高效电力电子平台。主要挑战包括p-GaN工艺的良率控制、器件与驱动电路的协同优化，以及在实际工况下的热管理和EMI特性验证。建议跟踪该技术路线，适时开展应用层面的预研，为2-3年后的产品代际升级做好技术储备。