在日前举行的功率半导体领域顶级会议IEEE ISPSD 2026上，中国科学院苏州纳米所孙钱研究员团队连续发表了两项研究进展，分别针对高压GaN功率器件在工程应用中长期面临的两大瓶颈——栅极阈值电压漂移与导通电阻居高不下——给出了从物理机制到器件结构的系统性解决方案。
突破一：引入空穴释放路径，将动态阈值漂移压缩至0.2伏以内
p-GaN栅增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借高开关速度、低栅漏电及简化的驱动设计，在电力电子领域拥有显著的应用优势。然而，其栅极由PN结与肖特基结背靠背串联构成，在强场、高频工作条件下，电子或空穴极易被陷阱捕获或受到能带带阶阻挡，引发严重的阈值电压动态漂移。这一问题广泛存在于欧姆接触型与肖特基接触型栅极HEMT中，长期困扰着学术界与产业界。
孙钱团队在此前刻蚀损伤修复、二次外延p-GaN栅极制备等研究工作基础上，深入分析了载流子输运机理，并阐明了空穴积累导致阈值电压负移的物理机制。在本届ISPSD会议上，团队创新性地在AlGaN势垒层中引入一层GaN插入层，作为动态积累空穴的导流释放路径。实验结果表明，该结构将动态阈值电压漂移降低了85%以上，控制在0.2伏以内，成功攻克了p-GaN栅极增强型HEMT长期面临的动态阈值电压负移难题。
更值得关注的是，这一AlGaN/GaN/AlGaN复合势垒层结构还带来了额外的工艺优势——利用GaN插入层可热分解自终止刻蚀于下方AlGaN表面的特性，实现了低界面态凹槽栅的均匀可控制备。器件阈值电压的晶圆级标准差从传统器件的170毫伏显著降低至70毫伏，一致性大幅提升，栅极漏电流亦有明显下降。该方案为p-GaN栅增强型HEMT的高可靠性应用提供了新颖的结构设计思路。相关成果以《Enhanced Dynamic VTH Stability by Inserting a Hole Release Path in the Barrier for Normally off HEMTs with Regrown p-GaN Gate》为题发表在ISPSD 2026上。
突破二：首次实验验证“光子回收”效应，3千伏GaN二极管比导通电阻较理论值降超一个数量级
在高压功率器件领域，传统硅基和碳化硅基双极型器件依赖长少子寿命实现电导率调制，以降低导通损耗。但氮化镓作为直接带隙材料，辐射复合效率高，少子寿命仅约1纳秒，这严重限制了其在高压场景下的导通性能。2011年，学术界曾提出利用辐射复合光子进行“回收再激发”以延长等效少子寿命的理论设想，但十余年来始终缺乏直接的实验证据。
孙钱团队从GaN材料特性出发，在漂移区可控掺杂、厚层高质量GaN漂移区外延生长及器件制备等前期工作基础上，基于高质量GaN同质外延衬底，设计并制备了具有小斜角台面边缘终端结构的垂直pn二极管。该结构在有效抑制边缘尖峰电场的同时，实现了对辐射光子的再回收。
研制的器件阻断电压达3千伏，实测比导通电阻低至0.18毫欧·平方厘米。这一数值与基于材料本征属性计算得出的理论值（3毫欧·平方厘米）相比，降幅超过一个数量级，展现出可与碳化硅高压器件、硅基IGBT相比拟的电导率调制能力。大尺寸器件的浪涌电流测试呈现出优异的逆时针“8”字型迟滞I-V曲线，进一步验证了器件突出的电导调制特性。动态电学性能及电致发光测试数据表明，小斜角台面结构能有效将辐射复合产生的光子约束在器件内部，引发“光子再吸收”效应，显著延长有效载流子寿命。这是该理论提出十余年来，首次从实验层面证实光子回收在提升GaN功率器件性能中的实际价值。该成果以《First Experimental Demonstration of Photon-Reabsorption Enhanced Conductivity Modulation in 3 kV/0.18 mΩ·cm² GaN Vertical p-n Diodes》为题，被列为ISPSD“Vertical GaN Power Devices”分会场第一篇口头报告。
上述两项工作得到了国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、江苏省重点研发计划、苏州市科技计划等项目的支持。
（集邦化合物半导体整理）
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