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电动汽车驱动 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

高温反向偏压应力下p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的退化机理

Degradation Mechanisms of p-GaN Gate AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Under High-Temperature Reverse Bias Stress

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.11072819
作者 Chengbing Pan · Wenbo Wang · Ruomeng Zhang · Xinyuan Zheng · Xueyan Li · Yesen Han
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
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栅极AlGaN/GaN HEMTs 阈值电压 动态导通电阻 缺陷演化 可靠性
语言:

中文摘要

p型氮化镓（p - GaN）栅极氮化铝镓/氮化镓（AlGaN/GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在包括电动汽车、雷达等在内的许多应用领域具有广阔前景。然而，p - GaN栅极AlGaN/GaN HEMTs的阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>）不稳定性和动态导通电阻（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {DSON}}$ </tex-math></inline-formula>）退化问题仍然令人担忧。在此，对p - GaN栅极AlGaN/GaN HEMTs的阈值电压和动态<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {DSON}}$ </tex-math></inline-formula>的退化行为进行了系统研究。在高温反向偏置应力下，观察到阈值电压出现异常漂移，第一阶段（<192小时）有轻微负向漂移，随后出现明显正向漂移。此外，经过432小时应力后，动态<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {DSON}}$ </tex-math></inline-formula>大约增加了54.5%。芯片的热阻增加了0.78 K/W，芯片贴装的热阻增加了0.38 K/W。利用深能级瞬态谱测量了应力过程中外延层中的缺陷演变。结果表明，退化后AlGaN/GaN区域的电子陷阱浓度降低，并且出现了一个新的空穴陷阱能级。在第一阶段（<192小时），电子陷阱浓度的降低减少了二维电子气中电子的耗尽，从而导致阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>）出现轻微负向漂移。随后，空穴发射导致栅极下方出现净负电荷，从而引起阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>）正向漂移和动态<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {DSON}}$ </tex-math></inline-formula>增加。这些结果有助于进一步提高p - GaN栅极AlGaN/GaN HEMTs的可靠性。

English Abstract

The p-GaN gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs) are promising for many applications, including electric vehicles, radar, etc. However, the threshold voltage ( V_ TH ) instability and dynamicON-resistance ( R_ DSON ) degradation of p-GaN gate AlGaN/GaN HEMTs remain a concern. Here, the degradation behaviors of threshold voltage and dynamic R_ DSON of p-GaN gate AlGaN/GaN HEMTs were systematically investigated. An anomalous shift of threshold voltage was observed with a slight negative shift in the first stage ( R_ DSON after 432 h stress increased by approximately 54.5%. The thermal resistance increased by 0.78 K/W for the chip and 0.38 K/W for the die attach. The defects evolution in the epilayers during the stress was measured using deep-level transient spectroscopy. The results show that the electron trap concentration decreased, and a new hole trap level appeared in the AlGaN/GaN region after the degradation. In the first stage ( V_ TH shift. Afterward, hole emission leads to the net negative charges beneath the gate, causing the positive V_ TH shift and the increase of dynamic R_ DSON . These results can help to further improve the reliability of p-GaN gate AlGaN/GaN HEMTs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，该论文揭示的p-GaN栅极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）退化机制研究具有重要的战略价值。作为新一代宽禁带半导体器件，GaN功率器件凭借其高开关频率、低导通损耗和高温工作能力，正成为光伏逆变器和储能变流器实现高功率密度、高效率的关键技术路径。

该研究系统阐明了p-GaN栅GaN HEMT在高温反向偏置应力下的失效机理，特别是阈值电压的异常双阶段漂移现象和动态导通电阻增加54.5%的退化规律。这些发现对阳光电源产品可靠性设计具有直接指导意义。在光伏逆变器应用中，器件长期承受高温和电压应力，论文揭示的缺陷演化机制——电子陷阱浓度降低和空穴陷阱形成——为我们优化器件筛选标准、设定安全工作裕度提供了理论依据。动态导通电阻的退化直接影响系统效率和热管理设计，研究中观察到的热阻增加数据（芯片级0.78 K/W）对散热系统设计具有重要参考价值。

从技术成熟度评估，p-GaN栅GaN HEMT已进入产业化阶段，但长期可靠性仍是制约大规模应用的瓶颈。该研究通过深能级瞬态谱（DLTS）技术揭示的缺陷演化机制，为器件供应商改进外延层设计和制造工艺指明了方向。对阳光电源而言，机遇在于可基于这些研究成果与上游供应链深度合作，共同开发适用于新能源应用场景的高可靠性GaN器件，并在系统级建立针对性的健康管理策略。挑战则在于需要建立完整的GaN器件应用数据库和加速老化测试方法，确保25年以上的产品生命周期要求，这要求持续投入可靠性研究资源。