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p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT中动态导通电阻的独特表面钝化化学计量依赖性及其抑制
Unique Surface Passivation Stoichiometry Dependence of Dynamic On-Resistance and Its Suppression in p-GaN Gate AlGaN/GaN HEMTs
| 作者 | Rasik Rashid Malik · Vipin Joshi · Saniya Syed Wani · Simran R. Karthik · Rajarshi Roy Chaudhuri · Avinas N. Shaji |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7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-GaN门AlGaN/GaN HEMTs 动态导通电阻 表面钝化层化学计量比 表面陷阱密度 GaN基功率器件 |
语言:
中文摘要
在本研究中，我们展示了通过调整异位沉积的表面钝化层的化学计量比来缓解 p - GaN 栅极 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中的动态导通电阻问题。采用高压纳秒脉冲测量和快速开关脉冲序列进行详细实验，以分析器件的动态导通电阻行为。基于频率的分析、电致发光分析、衬底偏压依赖性分析和自热特性分析与电学表征相结合，以深入了解与动态导通电阻对表面钝化化学计量比的依赖性相关的物理机制。最后，X 射线光电子能谱、阴极发光和电容 - 电压分析表明，采用非化学计量比的 SiOX 钝化可降低表面陷阱密度，从而改善动态导通电阻。这些研究结果表明，表面钝化化学计量比是缓解基于 GaN 的功率器件中动态导通电阻问题的关键设计参数。
English Abstract
In this work, we demonstrate the mitigation of dynamic on-resistance in p-GaN gate AlGaN/GaN HEMTs by tuning the stoichiometry of an ex-situ deposited surface passivation layer. Detailed experiments using high-voltage nanosecond pulsed measurements and a fast-switching train of pulses are employed to analyze the dynamic on-resistance behavior of the devices. Frequency-based analysis, electroluminescence analysis, substrate bias dependence, and self-heating profile analysis are used in conjunction with electrical characterization to gain insights into the physical mechanisms related to the dynamic on-resistance dependence on surface passivation stoichiometry. Finally, X-ray photoelectron spectroscopy, cathodoluminescence, and capacitance–voltage analysis reveal that the reduction in surface trap density with nonstoichiometric SiOX passivation leads to improved dynamic on-resistance. These findings establish surface passivation stoichiometry as a critical design parameter for alleviating the problem of dynamic on-resistance in GaN-based power devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT器件动态导通电阻优化的研究具有重要的战略价值。GaN功率器件凭借其高频开关特性和低损耗优势，正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品实现高功率密度、高效率的关键技术路径。
该研究通过调控表面钝化层（SiOX）的化学计量比，成功抑制了动态导通电阻（Ron）问题，这直接关系到我们产品的实际应用性能。动态Ron的增大会导致器件在高频开关过程中产生额外损耗和热量，降低系统效率并影响可靠性。论文通过纳秒级脉冲测试、电致发光分析等多维度表征手段，揭示了非化学计量比SiOX钝化层能够有效降低表面陷阱密度，从根本上改善动态特性，这为我们优化GaN器件封装工艺提供了清晰的技术路线。
对于阳光电源而言，该技术的应用前景体现在多个层面：在组串式逆变器中，采用优化钝化工艺的GaN器件可将开关频率提升至百kHz级别，显著减小磁性元件体积；在储能PCS系统中，更低的动态损耗意味着更高的往返效率和更长的循环寿命；在电动汽车OBC/DC-DC等应用中，可实现更紧凑的功率密度设计。
技术挑战主要集中在工艺稳定性和成本控制方面。非化学计量比钝化层的精确控制需要成熟的工艺窗口，且XPS、CL等表征手段增加了研发成本。建议我们与上游GaN器件供应商建立联合开发机制，将该钝化技术纳入定制化器件规格，同时在系统层面开展针对性的热设计和驱动优化，最大化释放器件性能潜力，巩固我们在新能源电力电子领域的技术领先地位。