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氮化镓高电子迁移率晶体管中的低温捕获效应:铁掺杂缓冲层和场板的影响
Cryogenic Trapping Effects in GaN-HEMTs: Influences of Fe-Doped Buffer and Field Plates
| 作者 | Mohamed Aniss Mebarki · Ragnar Ferrand-Drake Del Castillo · Denis Meledin · Erik Sundin · Mattias Thorsell · Alexis Papamichail |
| 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 | AlGaN/GaN HEMTs 低温 陷阱效应 电流崩塌 栅场板 |
语言:
中文摘要
本文利用脉冲电流 - 电压(I - V)和漏极电流瞬态谱(DCTS)测量方法,研究了在低至 4.2 K 的低温(CT)条件下,AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)中的陷阱机制。结果显示,在低温下陷阱效应总体增强。特别是,在低温下观察到电流崩塌现象显著增加,这主要归因于掺铁(Fe)的 GaN 缓冲层中的深受主态。相比之下,具有未掺杂缓冲层的器件仅表现出有限的陷阱迹象,且这些迹象仅与表面和接入区域有关。低温下陷阱效应的加剧与低温下较慢的去陷阱动态有关。此外,在掺铁器件中,栅场板(FP)的引入使得低温下的陷阱效应显著减弱,电流崩塌现象降低至原来的约 1/2.6。这些特性归因于场板能够降低器件中的电场,凸显了场板在低温下增强的作用。研究结果表明,采用优化栅场板的未掺杂缓冲层有助于提高 GaN 器件在低温下的可靠性。
English Abstract
This article investigates trapping mechanisms in AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) at cryogenic temperatures (CTs) down to 4.2 K, using pulsed I–V and drain current transient spectroscopy (DCTS) measurements. The results revealed an overall increase of trapping effects at CT. In particular, a substantial increase in current collapse at low temperatures was observed and predominately ascribed to deep acceptor states stemming from the iron (Fe)-doped GaN buffer. In contrast, devices with undoped buffer presented limited signs of trapping, which were only linked to surface and access regions. The aggravation at low temperatures of trapping effects was linked to a slower detrapping dynamic at low temperatures. Furthermore, the incorporation of gate field plates (FPs) led to a substantial attenuation of trapping and reduction of current collapse by a factor of 2.6 at CT in Fe-doped devices. These latter features were ascribed to the ability of the FP to decrease the electrical field along the device, highlighting the increased impact of FP at CTs. The results suggest that an undoped buffer with optimized gate FP could help to improve the reliability of GaN devices at low temperatures.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN-HEMT器件低温陷阱效应的研究具有重要的技术参考价值。GaN功率器件因其高频、高效、高功率密度特性,正逐步应用于我司光伏逆变器和储能变流器的核心功率模块中,而该研究揭示的低温特性对产品可靠性设计至关重要。
研究发现Fe掺杂缓冲层在低温环境下会显著加剧电流崩塌现象,这对我司产品在高海拔、高纬度地区的应用具有直接警示意义。特别是在大型地面光伏电站和储能项目中,逆变器常年工作在-40°C至85°C的宽温度范围内,低温下的陷阱效应会导致器件动态导通电阻增大,降低系统效率并影响长期可靠性。论文指出未掺杂缓冲层器件表现出更优的低温特性,这为我司在供应商选型和技术规格制定时提供了明确的技术指标要求。
更具实践意义的是,研究证实栅极场板结构能将低温下的电流崩塌降低2.6倍,这通过优化电场分布实现了显著的性能改善。这一发现可直接应用于我司与GaN器件供应商的联合开发中,要求采用优化的场板设计以提升极端环境适应性。考虑到GaN技术仍处于快速发展期,该研究所采用的脉冲I-V和DCTS表征方法也值得我司测试验证团队借鉴,建立针对低温工况的专项可靠性评估体系。
技术挑战在于未掺杂缓冲层可能影响器件的耐压特性,需要在低温性能与高压能力间寻求平衡。对阳光电源而言,这是推动供应链技术升级、提升产品差异化竞争力的重要机遇,特别是在极地科考、高原储能等特殊应用场景中可形成技术壁垒。