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基于正向衬底偏压的氮化镓高电子迁移率晶体管中的载流子输运特性
Charge Transport in GaN High Electron Mobility Transistor With Positive Substrate Bias
| 作者 | Peng Huang · Matthew D. Smith · Michael J. Uren · Zequan Chen · Benoit Bakeroot · Anurag Vohra |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6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 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 正衬底偏压 沟道电流 二维电子气 电荷恢复时间 |
语言:
中文摘要
采用高达 +600 V 的正衬底偏压，对额定电压为 650 V 的氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中的电荷输运进行了研究。正衬底偏压导致沟道电流减小，这归因于缓冲层中存储了负电荷，使得二维电子气（2DEG）沟道密度降低了超过 50%。通过在衬底偏压应力后测量恢复瞬态，研究了累积电荷的动力学特性，当衬底应力偏压 > +200 V 时，恢复时间超过 1000 秒。在正衬底偏压应力之后，立即施加短时间的负衬底偏压，可显著缩短恢复时间。本文给出了全面的解释，这需要详细了解外延层叠结构中各层的输运过程（包括欧姆输运和非欧姆输运）。
English Abstract
Charge transport in 650-V-rated GaN high electron mobility transistors (HEMTs) was investigated using positive substrate bias up to +600 V. Positive substrate bias resulted in a reduction in channel current, attributed to negative charge storage in the buffer, resulting in up to a >50% reduction in the 2-D electron gas (2DEG) channel density. The dynamics of the accumulated charge was investigated using recovery transients after substrate bias stress, with recovery times >1000 s for substrate stress bias +200 V. The recovery time was reduced significantly with the application of a negative substrate bias of short duration, immediately following the positive substrate bias stress. A comprehensive explanation is presented, which requires a detailed understanding of the transport (both ohmic and non-ohmic) through each of the layers in the epitaxial stack.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于GaN HEMT器件在正衬底偏压下电荷传输特性的研究具有重要的工程应用价值。GaN功率器件凭借其高开关频率、低导通损耗和高功率密度特性，已成为我司光伏逆变器和储能变流器产品实现高效率、小型化的关键技术路径。
该研究揭示的正衬底偏压导致沟道电流下降、二维电子气密度降低超过50%的现象，直接关联到我们产品在实际运行中可能遇到的动态导通电阻增加问题。这种缓冲层负电荷累积效应及其长达千秒级的恢复时间，对于需要长期稳定运行的光伏逆变器和储能系统而言是必须重视的可靠性隐患。特别是在高压应用场景（如1500V光伏系统、储能直流侧高压），器件承受的电压应力更大，这种效应可能导致效率衰减和热管理挑战。
值得关注的是，研究提出的负衬底偏压快速恢复技术为我们提供了新的电路设计思路。通过在功率循环间隙施加短时负偏压，可显著缩短恢复时间，这可能转化为创新的栅极驱动策略或辅助电路设计，提升系统长期运行的稳定性。
从技术成熟度评估，该研究仍处于器件物理层面的基础研究阶段，距离商业化应用尚需时日。建议我司技术团队密切跟踪GaN器件供应商在衬底工程和外延结构优化方面的进展，同时在新一代产品开发中预留相应的补偿机制设计空间，为未来采用更高性能的GaN器件做好技术储备，巩固我们在新能源电力电子领域的技术领先地位。