摘要：氮化镓（GaN）功率器件以其导通电阻低、击穿电场高、开关速度快的特点，在能量转换领域受到了广泛的关注。目前，由于硅晶圆低廉的价格，以及硅基工厂的成熟性，650 V电压等级的硅基氮化镓（GaN-on-Si）器件已得到商业化并广泛用于快充、工业电机等场景。但是，由

氮化镓（GaN）功率器件以其导通电阻低、击穿电场高、开关速度快的特点，在能量转换领域受到了广泛的关注。目前，由于硅晶圆低廉的价格，以及硅基工厂的成熟性，650 V电压等级的硅基氮化镓（GaN-on-Si）器件已得到商业化并广泛用于快充、工业电机等场景。但是，由于硅衬底的导电性，GaN-on-Si功率器件的耐压能力受到外延层垂直击穿电压的限制，制约了GaN-on-Si功率器件向更高压应用领域的发展。

将衬底电学浮空是一种提升GaN-on-Si功率器件电压等级简单而有效的手段。衬底浮空使得器件从漏到源的垂直泄漏路径加倍，增强了器件的耐压能力。将标准GaN-on-Si外延层上制备的器件的衬底浮空，器件耐压达到1700 V，充分满足900 V电压等级的耐压能力需求。

图1 将缓冲层厚度为5微米的标准GaN-on-Si器件衬底浮空，耐压由接地时的980 V提升至超过1700 V。

但是，衬底浮空的常规GaN-on-Si器件会受到背栅效应（Back-gating effect）的严重影响：在关态下，浮空的衬底会因为电容耦合效应呈现正电势，从而吸引电子到缓冲层中，形成负电荷积累。积累的缓冲层负电荷会在开态下耗尽沟道电子，增大导通电阻。

图2 (a) 关态下，浮空硅衬底电势随漏极电压升高而升高；(b) 正的衬底电势吸引电子到缓冲层，形成缓冲层的负电荷积累。

为增加浮空衬底的GaN-on-Si器件的稳定性，本文在传统p-GaN栅器件上增加一有源钝化层（Active passivation）。有源钝化层是一从栅极延伸至漏极的p‑GaN薄层，可以实现开态下几乎覆盖整个有源区的空穴注入以及电子-空穴复合发光，从而缓解缓冲层负电荷积累，有效地抑制背栅效应带来的负面影响。

图3 (a) 开态下，传统器件的沟道电子受缓冲层积累负电荷的排斥作用，浓度降低，器件导通电阻增大；(b) 有源钝化层有效地扩展了空穴注入及空穴-电子复合发光的范围，大大缓解了缓冲层负电荷积累的负面效应。

通过电荷耦合（CCD）相机，可以观察到在开态下，有源钝化器件相较于传统器件具有更广的发光范围。

图4 (a)-(c) 传统p-GaN栅器件（Conv-）不同栅极电压（VGS）条件下的发光情况；(d)-(f) 有源钝化器件（AP-）不同栅极电压条件下的发光情况。

对器件衬底施以正偏压后去除，可以模拟背栅效应的影响。在该测试中，传统器件表现出明显的电流退化，而有源钝化器件由于更广的空穴注入、空穴-电子复合发光范围，能对背栅效应带来的电流退化形成有效的抑制。

图5 (a)-(c) 传统p-GaN栅器件（Conv-）电流随衬底偏压的变化；(d)-(f) 有源钝化器件（AP-）电流随衬底偏压的变化。

由于有源钝化层对背栅效应的有效抑制，有源钝化器件在衬底浮空、经历900 V关态耐压后，动态电阻退化比率不超过50%，远低于传统器件（大于200%）。

图6 传统（Conv-）与有源钝化（AP-）器件在 (a) 衬底接地及 (b) 衬底浮空时的动态电阻测试结果。

团队介绍

北京大学魏进课题组长期从事GaN、SiC功率器件及功率集成电路的研究。本论文通讯作者为魏进博士，共发表一作/通讯作者论文90余篇，包括微电子器件领域顶级会议/期刊IEDM/VLSI 8篇、IEEE EDL 23篇。共发表学术论文200余篇，Google引用5000余次，H因子41。博士研究生常昊、杨俊杰为本论文共同一作。

文章信息

900-V active-passivation p-GaN gate HEMT with suppressed floating Si substrate induced back-gating effect

Hao Chang; Junjie Yang; Jingjing Yu; Jiawei Cui; Youyi Yin; Xuelin Yang; Xiaosen Liu; Maojun Wang; Bo Shen; Jin Wei

Appl. Phys. Lett. 126, 163503 (2025)

文章来源：转载自AIP公众号

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