集成电路学院张波教授团队在氮化镓功率器件可靠性技术领域取得重要突破，系列成果相继发表于 IEEE Trans. on Power Electronics、IEEE Trans. Electron Devices 和功率半导体顶级会议 ISPSD。
氮化镓（GaN）功率器件因为具备高频、高效的优越性能，在AI数据中心供电、新能源汽车、机器人电机驱动等领域具有巨大应用潜力。然而GaN功率器件芯片面积小、功率密度大，其短路耐受时间通常仅为亚微秒水平，远低于功率器件工业标准一般所要求的10微秒短路耐受能力，这是GaN功率器件进入上述工业级与车规级应用的重要屏障。针对上述技术瓶颈，张波教授团队聚焦100V中压和650V高压GaN功率器件，研究在不同短路应力下器件退化的差异化特性及其物理机制，进一步创新提出增强瞬态栅电流的自适应短路保护加固技术。该技术将器件重复短路耐受能力提升3个量级以上，达到目前国际公开报道的最高水平。电子科技大学集成电路学院为成果的第一完成单位，论文的第一作者分别为博士生杨宁、硕士生潘超武和王龙，周琦教授为论文的通讯作者。研究工作还引起了国际同行的关注，被英国半导体科技新闻网《Semiconductor Today》和《CompoundSemiconductor》专题报道。
100V低压器件在重复短路应力下的单调退化
基于多电压重复短路应力，研究团队发现器件阈值电压漂移、导通电阻增加幅度随短路栅压应力、漏压应力的提高及重复短路次数的增加呈现单调变化的特征，并首次发现了导致器件从可逆退化到永久退化的临界应力条件。揭示了短路应力下器件体内强电场与高结温在栅极堆栈与钝化层界面触发电子填充陷阱态，引起阈值电压正向漂移与导通电阻退化；进一步，增强短路电压应力会激发热电子轰击异质界面诱生新缺陷，导致器件永久性退化。该系列成果分别以《Study of the Short-Circuit Capability and Device Instability ofp-GaN Gate HEMTs by Repetitive Short-Circuit Stress》为题发表于IEEE Transactions on Power Electronics，以《Physical Mechanism of Device Degradation & its RecoveryDynamics of p-GaN Gate HEMTs Under Repetitive Short Circuit Stress》为题发表于ISPSD。
图1 100V低压GaN器件在重复短路应力下的退化/恢复特性及电荷转移机理示意图
650 V高压器件在重复短路电热耦合应力下的非单调退化
针对650V高压器件，研究团队发现了器件在重复短路应力冲击下阈值电压和导通电阻退化幅度随应力电压与短路能量的增加而出现先增大再减小的非单调变化特征。揭示了该独特退化行为背后的“双重竞争机制”：1）在较低短路应力下栅极与漂移区陷阱态俘获热电子是器件退化的主导机制；2）在较高短路应力下器件内部更高的结温激发了显著的栅极空穴注入，有效补偿了热电子俘获效应。成果以《Non-Monotonic Instability of VTHand Rds,onin 650 V Schottky-type p-GaN Gate HEMTs Under Short-Circuit: The effect ofElectric-Field & Thermal Dynamics》为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices。
图2 650V高压GaN器件在重复短路应力下的非单调退化规律与空穴注入机制
增强瞬态栅电流的自适应短路保护加固技术
基于上述对GaNHEMT功率器件短路可靠性退化机理的深刻理解，研究团队提出减薄GaN器件异质结势垒层厚度来增强栅极电子隧穿效应，进而提高瞬态栅电流触发器件自适应关断来降低短路应力下器件承受的短路瞬态能量的新方法。器件在450 V短路电压下实现了629μs的单次短路耐受时间，达到目前650 V级GaN功率器件国际公开报道的最高纪录；在重复性短路测试中，器件在10 μs、50μs短路脉冲下均能承受12000次短路冲击且未发生失效，相比已公开报道的最好水平提升了3个量级。成果以《p-GaNHEMTs With Thin AlGaN-Barrier Achieving Record Short-Circuit Robustness ofTSC>600μs and 12000 cycle/50μs Repetitive Short-Circuit Capability》为题发表于IEEE Transactions on Power Electronics。
图3 新型GaN器件的短路耐受能力和增强瞬态栅电流机制
上述系列工作从器件底层物理揭示了GaN HEMT功率器件在短路应力下的退化机制，突破了以牺牲器件导通性能换取短路可靠性的传统技术方案，另辟蹊径地通过调控栅极电荷输运机制实现器件短路可靠性加固，且器件结构与制造工艺与当前业界主流的p-GaN gate HEMT功率器件完全兼容。成果为GaN功率器件在工业级与车规级应用领域拓展奠定了重要基础。
相关工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金，四川省科技专项支持。
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