← 返回
储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

电荷俘获效应对GIT型GaN基HEMT器件的影响

The Influence of Charge Trapping Effects on GIT GaN-Based HEMTs

作者 Yibo Ning · Huiying Li · Xsinyuan Zheng · Chengbing Pan · Lixia Zhao
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年9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 GaN基高电子迁移率晶体管 栅极过驱动应力 深能级瞬态谱 阈值电压漂移 陷阱辅助隧穿
语言:

中文摘要

在本研究中,我们利用电容模式深能级瞬态谱(C - DLTS)研究了栅注入晶体管(GIT)氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)在栅极过驱动应力下的退化行为以及深能级陷阱的演变。随着老化时间的增加,观察到阈值电压(<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>)负向漂移,同时栅极泄漏电流增大。应力施加前,在GaN基HEMT中检测到三种陷阱信号,包括一个电子陷阱(150 K)和两个空穴陷阱(250 K和450 K)。应力施加后,在90 K和350 K处出现了两个电子陷阱,而250 K处的本征空穴陷阱在应力施加后无明显变化。位于450 K的空穴陷阱的DLTS峰强度与填充脉冲宽度呈对数关系,表明该陷阱与位错有关。此外,高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)结果显示,应力施加后,穿晶位错(TDs)穿过p - GaN/AlGaN/GaN层,这可能促使在350 K处形成新的界面态电子陷阱。应力施加后,泄漏电流的主导机制从普尔 - 弗兰克尔(PF)发射转变为陷阱辅助隧穿(TAT)。本研究有助于进一步理解GaN基HEMT中的电荷俘获效应。

English Abstract

In this work, we investigate the degradation behavior of gate injection transistor (GIT) GaN-based high-electron-mobility transistors (HEMTs) under gate overdrive stress and the evolution of the deep traps by using capacitance mode deep-level transient spectroscopy (C-DLTS). With increasing the aging time, a negative shift of the threshold voltage ( V_ TH ) was observed with increased gate leakage current. Before the stress, three trap signals were detected in GaN-based HEMTs, including one electron trap (at 150 K) and two hole traps (at 250 and 450 K). After the stress, two electron traps appeared at 90 and 350 K, while for intrinsic hole traps at 250 K, there was no obvious change after the stress. The DLTS peak intensity of the hole trap located at 450 K has a logarithmic dependence on the filling pulse width, indicating it is related to the dislocations. Furthermore, HRTEM results show that threading dislocations (TDs) pass through the p-GaN/AlGaN/GaN after the stress, which may facilitate the new interfacial state electron trap at 350 K. The dominant mechanism for the leakage currents changed from Poole–Frenkel (PF) emission to trap-assisted tunneling (TAT) after the stress. This study helps to further understand the charge trapping effect in the GaN-based HEMTs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN基HEMT器件电荷陷阱效应的研究具有重要的战略意义。GaN功率器件因其高频、高效、高功率密度特性,正成为光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向,直接关系到我们产品的转换效率和系统可靠性提升。

该研究揭示了GIT型GaN器件在栅极过驱动应力下的退化机理,特别是阈值电压负漂移和栅极漏电流增加的微观物理过程。研究发现应力后出现的新电子陷阱(90K和350K)以及穿透位错对器件性能的影响,为我们优化逆变器的栅极驱动策略提供了理论依据。更关键的是,漏电流主导机制从Poole-Frenkel发射转变为陷阱辅助隧穿的发现,说明长期运行工况下器件的失效模式可能发生改变,这对我们制定25年以上寿命的光伏系统设计规范至关重要。

从应用价值看,该研究的C-DLTS表征方法可引入我们的器件筛选和可靠性验证流程中,通过陷阱谱分析预判GaN模块的长期稳定性。对于储能系统频繁充放电带来的温度循环和电应力,这种深能级缺陷的演化规律研究能帮助我们建立更精准的寿命预测模型。

技术挑战在于GaN器件的成本仍高于传统IGBT,且供应链相对集中。但随着650V/1200V GaN器件成熟度提升,在高频化、轻量化的组串式逆变器和便携式储能产品中,其优势将更加明显。建议我们加强与GaN芯片厂商的联合开发,针对新能源应用场景优化器件结构,同时建立自主的可靠性评估体系,将陷阱效应研究转化为产品竞争力。