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无缓冲层GaN-on-SiC功率晶体管中的电流崩塌:Maxwell-Wagner效应及相关模型
Current Collapse in Buffer-Free GaN-on-SiC Power Transistors: Maxwell-Wagner Effect and Related Model
| 作者 | Alberto Cavaliere · Nicola Modolo · Carlo De Santi · Christian Koller · Clemens Ostermaier · Gaudenzio Meneghesso |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN功率晶体管 绝缘衬底 负背栅效应 Maxwell - Wagner效应 模型验证 |
语言:
中文摘要
近年来,使用绝缘衬底已成为制造耐压超过 1 kV 的氮化镓(GaN)功率晶体管的可行方案。这类结构颇具吸引力,因为无需使用掺杂缓冲层,所以——理想情况下——有望实现较低的动态导通电阻(<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>)。本文研究了无缓冲层的碳化硅(SiC)基氮化镓器件中,负背栅偏压引起的可恢复(且与温度相关)的电流降低现象。值得注意的是,我们证明了这种效应并非直接与电荷俘获有关,而是与麦克斯韦 - 瓦格纳效应有关,即绝缘碳化硅衬底与半绝缘氮化镓层界面处的电荷迁移。据此,我们定义并验证了一个模型,该模型能够高精度地模拟电流随温度、电压和时间的降低情况(以及相关的动力学过程)。
English Abstract
Recently, the use of insulating substrates has emerged as a viable option for the fabrication of GaN power transistors exceeding 1 kV. Such structures are of interest because no doped buffer is used, so--ideally—a low dynamic R_ DSON is expected. This article investigates the recoverable (and temperature dependent) current lowering induced by negative backgating in buffer-free GaN-on-SiC devices. Remarkably, we demonstrate that such an effect is not directly related to charge trapping, but to the Maxwell-Wagner effect, i.e., the charge migration at the interface between the insulating SiC substrate and the semi-insulating GaN layer. Accordingly, a model is defined and validated to simulate with great accuracy, the current decreases (and related kinetics) as a function of temperature, voltage, and time.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于无缓冲层GaN-on-SiC功率晶体管电流崩塌机理的研究具有重要的战略参考价值。
在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率半导体器件是决定系统效率、功率密度和可靠性的关键要素。该论文揭示的无缓冲层GaN-on-SiC结构能够实现超过1kV的耐压等级,且理论上具有更低的动态导通电阻,这与我们1500V高压光伏系统和大功率储能PCS的技术演进方向高度契合。更低的导通电阻意味着更低的导通损耗,可直接提升系统转换效率0.5-1个百分点,这在大型地面电站和工商业储能项目中将带来显著的度电成本优势。
论文的核心贡献在于阐明了电流崩塌现象并非传统认为的电荷陷阱效应,而是Maxwell-Wagner效应导致的界面电荷迁移。这一机理认知的突破为器件设计优化指明了方向,通过精确的温度-电压-时间模型,可以预测和补偿动态性能退化,这对我们开发高可靠性的功率模块至关重要。
然而,该技术仍面临挑战:无缓冲层结构对制造工艺的一致性要求极高,界面质量控制难度大;Maxwell-Wagner效应的温度依赖性可能在宽工作温度范围(-40℃至85℃)下影响器件特性的可预测性。建议我们的功率器件团队密切跟踪该技术路线,与领先的GaN器件供应商建立联合开发机制,在下一代高压大功率平台中进行前瞻性验证,同时在控制算法层面预留动态补偿策略,以充分发挥新型功率器件的性能潜力。