【科研速递】电子科技大学与深圳平湖实验室实现650V p-GaN HEMT短路性能创纪录突破， ...

近日，电子科技大学与深圳平湖实验室的研究团队在650V肖特基p-GaN高电子迁移率晶体管上取得了创纪录的短路性能突破。相关成果发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》。该器件在单次短路事件中实现了629微秒的耐受时间，几乎为同类商用对比器件的两倍。在重复短路脉冲测试中，该器件可承受12000次50微秒脉宽的短路脉冲而不发生失效。

图1：(a) 650V增强型GaN HEMT的截面示意图；(b) 封装器件的俯视图和底视图；(c) 转移特性曲线（漏极电流与栅极电压关系，Vds=1V/5V）；(d) 关态栅极漏电流与漏极漏电流随漏极电压的变化关系。

器件外延材料基于6英寸硅衬底，包含2.85μm AlGaN/GaN超晶格过渡层、1.96μm GaN缓冲层/沟道层、11nm AlGaN势垒层和p-GaN栅极。栅极长度为1.42μm，器件集成了多个场板以优化电场分布，实现高压工作。

在200μA漏电流下，关态击穿电压达到1165V。 工作特性包括6V栅压下31A饱和电流、1.15V阈值电压和89mΩ导通电阻，与商用650V/150mΩ和700V/106mΩ器件相当。

图2：单脉冲短路电压（左）和电流（右）波形，测试条件为450V漏极应力和6V栅极电压：商用对比器件DUT-A（a、b）和DUT-B（c、d），以及研究团队的器件（e、f）。

团队将短路性能的提升归因于采用比常规更薄的AlGaN势垒层。短路发生时，薄势垒允许沟道中的电子隧穿至栅极，自适应地降低栅极电位，从而部分夹断二维电子气沟道。这一负反馈机制降低了漏极电流，减轻了导致器件烧毁的自热效应。

在450V漏极应力下，单脉冲短路耐受时间达到629μs，约为同类商用器件的两倍。将漏极偏压升至500V和550V时，耐受时间分别降至436μs和337μs；而对比器件在550V下仅能承受0.245μs和0.19μs。

图3：单脉冲短路能力基准对比——600-650V GaN功率HEMT、650V硅CoolMOS和650V SiC MOSFET在不同Vds应力下的短路耐受时间。

在重复短路测试中，商用对比器件在第三次短路循环即失效，而研究团队的器件在12000次重复短路事件后仍保持完好。 团队还发现，即使采用50μs的更长短路脉冲宽度，器件仍能承受12000次重复应力而不失效。据团队介绍，50μs脉冲下的耐受能力是GaN功率器件的首次报道。

图4：重复短路能力基准对比——650V GaN HEMT、650V GaN/SiC JFET共源共栅和1.2kV SiC MOSFET在不同Vds/脉冲宽度下的短路循环次数。

研究团队指出：“短路鲁棒性已成为这些应用中GaN HEMT的关键可靠性问题。由意外负载短路或外部故障引起的短路事件，使器件同时承受高漏源电压和电流，产生过大瞬态功率，可能导致严重退化或灾难性失效。这种短路应力下的固有脆弱性仍是GaN HEMT向高可靠性电力电子领域拓展的主要障碍。”

该成果显示，通过薄势垒设计实现的“自适应负反馈”机制，可在不牺牲导通电阻和击穿电压的前提下，将GaN器件的短路耐受能力提升至接近甚至超越部分SiC器件的水平。 研究团队认为，增强的短路鲁棒性将推动GaN功率HEMT从消费电子（如快充）向工业电源转换、汽车动力总成、可再生能源和电机驱动等领域拓展市场渗透。

论文信息:N. Yang et al., "p-GaN HEMTs With Thin AlGaN-Barrier Achieving Record Short-Circuit Robustness of tSC>600 μs & 12000cycle/50 μs Repetitive Short-Circuit Capability," in IEEE Transactions on Power Electronics, doi:
10.1109/TPEL.2026.3711894.

文章来源：semiconductor-today

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