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功率器件技术 GaN器件 ★ 4.0

利用二维电子气和空穴气实现AlGaN/GaN/AlGaN双异质结MISHFET的阈值电压调控

Threshold Voltage Control in AlGaN/GaN/AlGaN Double-Heterostructure MISHFET Utilizing 2-D Electron and Hole Gases

作者 Arno Kirchbrücher · Gerrit Lükens · Carsten Beckmann · Jasmin Ehrler · Qi Shu · Jens Wieben
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年2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 AlGaN/GaN双异质结MISHFET 界面电荷充放电 阈值电压漂移 二维电子气 二维空穴气
语言:

中文摘要

传统的 AlGaN/GaN 金属 - 绝缘体 - 半导体异质结场效应晶体管(MISHFET)会受到电介质/AlGaN 界面处俘获电荷的影响,从而导致阈值电压不稳定和准永久性偏移。在这项工作中,我们研究了采用 Al₂O₃ 栅极电介质的 AlGaN/GaN/AlGaN 双异质结(DH)MISHFET 中这些界面态的充电过程,尤其是放电过程。经过合理设计,这些无掺杂器件包含极化诱导的二维电子气(2DEG)以及二维空穴气(2DHG)。已知在施加较大的栅极偏压后,Al₂O₃/AlGaN 界面会持续地从 2DEG 中俘获电子至深能级状态,从而导致阈值电压正向偏移。在此,我们证明了当施加足够大的负栅极偏压时,界面可以被 2DHG 中的载流子主动放电,从而导致阈值电压负向偏移。这些电荷俘获和去俘获机制与器件的设计参数和偏置条件相关。此外,我们还研究了器件的低温和高温特性,并表明这些器件可以像存储型元件一样工作。

English Abstract

Conventional AlGaN/GaN metal-insulator–semiconductor heterostructure field-effect transistors (MISHFETs) are affected by trapped charges at the dielectric/AlGaN interface causing instabilities and quasi-permanent shifts of the threshold voltage. In this work, we investigate the charging and especially discharging processes of these interface states in AlGaN/GaN/AlGaN double-heterostructure (DH) MISHFET with an Al2O3 gate dielectric. Appropriately designed, these dopant-free devices contain a polarization-induced 2-D electron gas (2DEG) as well as a 2-D hole gas (2DHG). After applying large gate biases, the Al2O3/AlGaN interface is known to persistently capture electrons from the 2DEG in deep states resulting in a positive threshold voltage shift. Here, we demonstrate that the interface can be actively discharged by carriers from the 2DHG when a sufficiently large negative gate bias is applied, resulting in a negative threshold voltage shift. These mechanisms of charge trapping and detrapping are correlated to the design parameters and biasing conditions of the device. In addition, we investigate low- and high-temperature characteristics and show that these devices can be operated like a memory-type component.
S

SunView 深度解读

从阳光电源功率半导体应用角度来看,这项AlGaN/GaN双异质结MISHFET技术具有重要的战略价值。氮化镓(GaN)功率器件是我司光伏逆变器和储能变流器实现高功率密度、高效率转换的核心技术路径,而阈值电压稳定性一直是制约GaN器件可靠性的关键瓶颈。

该研究通过创新性地构建二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)共存的双异质结构,实现了对Al2O3/AlGaN界面陷阱电荷的主动控制。这一机制可有效解决传统MISHFETs因界面态充电导致的阈值电压漂移问题,对提升我司逆变器产品在宽温度范围和长期运行中的稳定性具有直接意义。特别是其展示的"类存储器"特性,为开发具有自诊断、自适应功能的智能功率开关提供了新思路。

从技术成熟度评估,该研究仍处于器件物理机制验证阶段,距离工业化应用存在较大距离。主要挑战包括:双异质结构的精确外延生长工艺控制、大规模生产的成本经济性、以及在高压大电流实际工况下的长期可靠性验证。然而,这项技术揭示的阈值电压主动调控机制,为我司与上游GaN芯片供应商的联合开发指明了方向。

建议我司中央研究院功率半导体团队持续跟踪此类双异质结技术进展,评估在1200V/650V GaN平台的应用可行性。同时可考虑与相关研究机构建立合作,将该技术路线纳入我司下一代高可靠性功率器件的预研规划,以巩固在新能源电力电子领域的技术领先优势。