增强型GaN HEMT可持续雪崩击穿操作机制的实验验证及其在功率器件可靠性中的意义

《IEEE Electron Device Letters》：Experimental Evidence of Sustainable Avalanche Operation in E-mode GaN HEMTs

本刊推荐研究人员针对E-mode GaN HEMT器件在关态耐受性方面的挑战，开展了可持续雪崩击穿操作的系统研究。通过结合电学测试、光谱分析和TCAD模拟，首次证实了亚阈值漏电流可触发碰撞电离过程，从而将漏极电压钳位在介质击穿电压以下。该机制为GaN功率器件的抗过压设计提供了重要理论依据，对提升功率转换系统的可靠性具有突破性意义。

　　

在追求高效能源转换的今天，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借其优异的电子迁移率和耐高压特性，已成为功率电子领域的新宠。特别是具有p型氮化镓栅极的常关型（E-mode）器件，因其易于驱动和低导通电阻的优势，被广泛应用于工业电源、新能源汽车等关键领域。然而，与成熟的硅基和碳化硅（SiC）功率器件相比，GaN器件在耐受突发电压冲击方面存在明显短板——当电路开关过程中产生电压尖峰时，传统GaN HEMT往往直接发生介质击穿而非进入可控的雪崩状态，导致器件永久失效。这一可靠性瓶颈严重制约了GaN功率器件在苛刻环境下的推广应用。

为攻克这一难题，由R. Fraccaroli领衔的国际研究团队在《IEEE Electron Device Letters》上发表了突破性研究成果。研究团队通过精巧的实验设计证实：在特定条件下，亚微米栅长GaN HEMT能够实现可持续的雪崩击穿操作。这一发现颠覆了业界对GaN器件抗过压能力的传统认知，为设计高鲁棒性功率集成电路提供了新思路。

研究团队采用多维度验证方法：通过精确控制栅极偏压调节亚阈值泄漏电流水平，结合温度变测试和光谱分辨电致发光（EL）分析，并借助TCAD数值模拟对物理机制进行深入解读。关键实验技术涵盖：关态I_DS-V_DS特性测试（在不同夹断条件下评估击穿行为）、变温电学表征（-50°C至150°C）、光谱分辨电致发光测量（检测300-800nm波段光子发射）以及基于Silvaco平台的器件仿真（采用Maeda碰撞电离系数模型）。

OFF状态I_DS-V_DS特性

研究发现器件的击穿机制强烈依赖于栅极偏置条件。在强夹断状态（V_GS=-7V）下，由于亚阈值泄漏电流可忽略不计，器件在V_DS=223V时发生介质击穿（V_DIEL），导致栅漏间介质永久性短路。而在参考夹断状态（V_GS=0V）下，纳安级泄漏电流触发了雪崩过程，使漏极电压稳定钳位在160V（V_AVAL），器件仍保持正常功能。这种可持续性通过重复测量得到验证，表明雪崩过程可循环发生而不损伤器件。

几何依赖性实验揭示了更深入的机理：当栅长（L_G）增加时，短沟道效应减弱导致泄漏电流降低，需要更高电压才能触发雪崩。对于L_G=2倍标准值的器件，由于V_AVAL≈V_DIEL，最终仍发生介质击穿。而栅漏距离（L_GD）的增加会降低漏访问区电场峰值，使雪崩电压从130V（标准L_GD）升至180V（1.5倍L_GD）。这表明可通过优化器件几何参数来调控雪崩特性。

雪崩操作的实验证据

温度依赖性测量显示，V_AVAL具有正温度系数（约0.2V/°C），符合经典雪崩理论：温度升高导致载流子平均自由程缩短，需要更强电场才能引发碰撞电离。研究人员通过微调栅压（ΔV_GS<0.5V）使不同温度下泄漏电流保持一致，确保了电场分布的可比性。

电致发光测量提供了直接证据：光谱在3.4eV处出现明显的带间跃迁（Band-to-Band，B2B）发光峰，证实了碰撞电离产生的电子-空穴对复合过程。空间分辨EL显示该发光沿栅极边缘均匀分布，排除了局部缺陷导致的可能性。此外，低能段的轫致辐射（Bremsstrahlung）峰反映了高能电子与晶格散射过程。

雪崩仿真验证

TCAD仿真完美复现了实验曲线，揭示出关键物理图像：在雪崩状态下，漏极电流主要由电子构成，空穴电流仅占极小部分。电流密度分布图显示，亚阈值电子电流在栅极和场板下方的耗尽区中形成导电通道，碰撞电离产生的空穴向源极和缓冲层注入，通过调制源端势垒引发电流骤增，形成自限压效应。

本研究首次在实验上证实了亚微米GaN HEMT的可持续雪崩能力，建立了“亚阈值泄漏-碰撞电离-电压钳位”的完整理论框架。该机制不仅解释了器件在过压条件下的自保护行为，更指导了通过几何优化（调控L_G与L_GD）和偏置设计（维持适度泄漏）来增强可靠性的技术路径。随着5G基站、数据中心等场景对功率密度要求的不断提升，这项研究为下一代高鲁棒性GaN功率芯片的开发奠定了重要理论基础。