北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心3篇论文入选ISPSD 2023大会

近日，功率半导体器件领域的顶级会议IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)在中国香港举行。在本届ISPSD上，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心3篇高水平论文入选，向国际功率器件与功率集成电路领域的同行展示了北京大学最新的研究成果。这三篇论文内容涉及GaN功率器件的有源钝化技术、GaN功率器件的体陷阱抑制技术、1200V高压GaN功率器件技术。论文的详情如下：

1. GaN功率器件的有源钝化技术

图1. 采用有源钝化技术的GaN功率器件结构、TEM照片、动态电阻测试结果

近年来，新兴应用场景（如数据中心、机器人、可穿戴电子产品等）对功率器件的转换效率和功率密度提出了更高要求。GaN功率晶体管因其卓越性能，有望在下一代高频功率开关系统中发挥关键作用。然而，表面陷阱效应引起的动态电阻退化现象成为阻碍GaN功率器件实用化的最重要因素。

北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心魏进、王茂俊、郝一龙团队提出有源钝化p-GaN栅极HEMT。该器件具有延伸到漏极侧的有源p-GaN钝化层，实现了增强型开关模式。有源钝化层连接到p-GaN栅极，通过栅电极供应或释放可自由移动的空穴，实现对表面陷阱效应的完全屏蔽。该工作以High Dynamic Stability in Enhancement-Mode Active-Passivation p-GaN Gate HEMT为题，发表于今年ISPSD，文章的第一作者是北京大学集成电路学院的博士研究生吴妍霖。

2. GaN功率器件的体陷阱抑制技术

图2. 采用空穴扩展埋层的GaN功率器件计算机仿真结果和体陷阱效应的实验测试结果

相比Si功率器件，GaN高压功率晶体管具有更低的导通电阻、更高的临界击穿电场以及更小的寄生电容。然而，GaN材料体陷阱充放电时间常数较大，造成严重的动态不稳定性，成为GaN高压功率晶体管及集成电路发展的瓶颈。

北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心魏进、王茂俊团队提出了设计了一种带空穴扩展埋层GaN功率晶体管技术。器件开启时，空穴从p-GaN 栅极注入至空穴扩展埋层，屏蔽了缓冲层陷阱对二维电子气的调制作用，完全抑制了体陷阱引起的动态不稳定性现象。该工作以Exploitation of Hole Injection and Spreading for Dynamic Enhancement in p-GaN Gate HEMT under Room/High Temperatures为题，发表于今年ISPSD，文章的第一作者是北京大学集成电路学院博士研究生杨俊杰，通讯作者是魏进研究员和王茂俊副教授。

3. 1200V高压GaN功率器件技术

图3. GaN高压功率晶体管原理图、击穿特性测试结果、击穿电压与器件尺寸关系图

650-V增强型p-GaN栅极HEMT已经在手机快充等领域获得一定的商业成功。而电力传输、新能源汽车、工业电子等领域往往需要1200V以上的功率晶体管器件。受限于GaN-on-Si材料的垂直击穿现象，迄今为止，国际上鲜有报道大于1200 V的增强型p-GaN栅极HEMT器件。

北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心魏进、王茂俊团队针对这一问题，在蓝宝石衬底上制备了阈值电压为0.9 V、击穿电压为1412 V、导通电阻为17.7 Ω∙mm、比导通电阻为6.7 mΩ∙cm²的增强型p-GaN栅极HEMT，展示了p-GaN栅极HEMT在更高电压等级上的应用可能性。该工作以Method to Study Dynamic Depletion Behaviors in High Voltage (BV = 1.4 kV) p-GaN Gate HEMT on Sapphire Substrate为题，发表于今年ISPSD，文章的第一作者是北京大学集成电路学院博士研究生崔家玮，通讯作者是魏进研究员和王茂俊副教授。

关于IEEE ISPSD

IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)是功率半导体器件领域的顶级会议，以论文录用率低、作品创新性和实用性强著称，每年吸引全球范围内大量学术界、工业界研发人员的关注和参与。历史上关于功率器件的众多重大进展均在ISPSD大会首次展示。会议内容涉及高压功率器件、低压功率器件、功率集成技术、SiC功率器件、GaN功率器件等方面。IEEE ISPSD在欧洲、北美、日本、其他地区轮流举办，2023年ISPSD的举办地为中国香港，2024年ISPSD将在德国不来梅市举办。