GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）正引领功率转换方案进入一个更高频、更高密度和更高效率的新时代，是有望突破日益老化的硅功率MOSFET的创新技术之一。得益于优异的物理特性和器件性能，GaN HEMTs在数据中心服务器、可再生能源系统、高铁汽车、工业电机、消费电子产品等多个应用领域都具有庞大的发展潜质，正处于快速发展阶段。

目前最富有产业化前景的GaN器件是常关型p型栅GaN HEMT（p-GaN gate HEMT），然而这种结构面临栅极安全工作范围小的严峻挑战。不仅为栅极驱动电路设计增加许多难度，更会影响功率转换系统的可靠性。因此提高栅极安全工作范围成为p-GaN gate HEMT的迫切需求。

电子系化梦媛老师课题组对p-GaN gate HEMT栅极特性进行了深入研究，创新性地提出采用pn结栅极结构（PNJ-HEMT）代替传统的肖特基结栅极结构（SJ-HEMT），使得PNJ-HEMT栅极击穿电压相比于传统栅极结构的11 V提升至19 V，进而栅极驱动电压范围提高至13.5 V。这是目前报道的p-GaN器件中所能实现的最大驱动电压范围。在栅极可靠性评估中，PNJ-HEMT的10年寿命下最大栅极使用电压也由传统的SJ-HEMT 的5 V提升至10 V。PNJ-HEMT结构极大的增强了高频功率电路栅极驱动设计的灵活性，展示出实现高可靠性GaN功率器件的巨大潜力。

该研究相关进展于近期发表于电子领域顶级期刊IEEE Electron Device Letters和功率器件国际顶级会议IEEE Int. Symp. On Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD‘20)（大会报告，接收率<15%）。第一作者均为化梦媛老师课题组南方科技大学本校博士生王成财。

(a). 器件结构示意图。(b). 栅极区域STEM图像。

(a). PNJ-HEMT转移特性曲线。(b). SJ-HEMT和PNJ-HEMT栅极击穿特性。

(a). PNJ-HEMT在栅极电压15V, 15.5V, 16.6V下栅极漏电特性。(a). 栅极击穿时间的威布尔分布。(c) PNJ-HEMT和SJ-HEMT的寿命预测。

论文信息：

[1] C. Wang, M. Hua, J. Chen, S. Yang, Z. Zheng, J. Wei, L. Zhang, and K. J. Chen, "E-mode p-n Junction/AlGaN/GaN (PNJ) HEMTs," IEEE Electron Device Letters, vol. 41, no. 4, pp. 545-548, April 2020.

[2] C. Wang, M. Hua, S. Yang, L. Zhang, and Kevin J. Chen, " E-mode p-n Junction/AlGaN/GaN HEMTs with Enhanced Gate Reliability," 2020 Int. Symp. On Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD’20), Vienna, Austria, Sep. 3-7, 2020.