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。针对高压GaN功率器件在工程应用中长期面临的“栅极阈值电压漂移”和“导通电阻居高不下”两大瓶颈，团队从物理机制与器件结构出发给出了创新解决方案。
工作1： 借助AlGaN势垒层中的GaN插入层导流释放动态积累空穴，显著提升p-GaN栅极动态稳定性
p-GaN栅增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高开关速度和低栅漏电，以及更简单的驱动设计，在电力电子领域有着巨大的应用优势。然而，常规器件由PN结与肖特基结背靠背串联构成的栅极，强场、高频下电子或空穴极易被陷阱捕获或能带带阶阻挡，发生严重的阈值电压（VTH）动态漂移。事实上，这一问题广泛存在于欧姆接触型/肖特基接触型栅极HEMT中，因此，如何解决该器件动态VTH的稳定性问题，一直是学术界与产业界关注的焦点之一。
为此，孙钱团队在刻蚀损伤修复(ACS AMI, 11 (24), 21982 (2019);IEEE the 32nd ISPSD (2020), Appl. Surf. Sci. 695 162905 (2025))、二次外延p-GaN栅极增强型HEMT的制备(IEEE JESTPE, 9(3), 3715-3724, (2021);IEEE EDL. 40 (9), 1495 (2019).)等前期工作基础上，深入分析了载流子输运机理，并解释了空穴积累导致的阈值电压负移(Appl. Phys. Lett. 119, 063501 (2021),J. Phys. D: Appl. Phys. 59 265103 (2026))。在本次工作中，创新性地在AlGaN势垒层中引入了一层GaN插入层（IL），作为动态积累空穴的导流释放路径，将动态VTH漂移降低85%以上（控制在0.2 V以内），攻克了p-GaN栅极增强型HEMT面临的动态阈值电压负移这一难题。同时值得一提的是，基于该AlGaN/GaN/AlGaN复合势垒层结构，还可以实现低界面态凹槽栅的均匀可控制备，巧妙利用GaN插入层可以热分解自终止刻蚀于下方的AlGaN表面，器件阈值电压VTH的一致性得到了大幅提升（晶圆级标准差从传统器件的170 mV显著降低至 70 mV），栅极漏电流也有显著降低。该方案为p-GaN栅增强型HEMT实现高可靠性应用提供了新颖的结构设计思路。该工作以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2026年 IEEE ISPSD会议上，第一作者为博士研究生高宏伟，通讯作者为钟耀宗副研究员、李文雯项目研究员及冯美鑫研究员。
图1. (a) 常规p-GaN栅增强型HEMT栅极堆栈及其能带结构示意图，(b) 具有GaN插入层的增强型HEMT栅极载流子输运示意图；(c) 无GaN插入层、与(d)有GaN插入层的二次外延p-GaN栅极截面TEM图像；(e) 无GaN插入层、与(f)有GaN插入层的GaN增强型HEMT的变脉宽转移特性曲线，及其(g)动态阈值电压漂移；(h) 具有GaN插入层的GaN增强型HEMT片内阈值电压均匀性。
工作2：巧用“光子回收”实现电导调制效应，3000 V纵向GaN二极管导通电阻降低一个数量级
在高压功率器件领域，传统的Si、SiC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。然而，由于GaN为直接带隙材料，其辐射复合效率高，导致少子寿命短（仅约1 ns）。尽管利用辐射复合光子进行“回收再激发”有望实现等效寿命延长，该理论自2011年提出后始终缺乏直接实验证据(IEEE IEDM, no.26.3, 2011)，成为高压GaN器件发展中的重大挑战之一。
针对上述挑战，孙钱团队从GaN材料特性出发，在GaN漂移区的可控掺杂( IEEE EDL. 42 (4), 473 (2021).)、厚层高质量GaN漂移区外延生长(IEEE EDL. 43 (12), 2057 (2022).)及器件制备(Appl. Phys. Lett. 127 (15), 152102 (2025).;IEEE TED, 68 (11), 5682 (2021).)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，在实现边缘尖峰电场抑制的同时，实现了对辐射光子的再回收。研制的器件具有3 kV阻断电压，实测比导通电阻低至 0.18 mΩ·cm²，这一数据与基于材料本征属性计算得出的理论值（3 mΩ·cm²）相比，降幅超过了一个数量级，展现出可与SiC高压器件、硅基IGBT相比拟的电导率调制能力。而大器件的浪涌电流测试也展示出了优异的逆时针“8”字型迟滞I-V曲线，进一步验证了器件突出的电导调制能力。动态电学特性及电致发光EL测试数据表明：小斜台面结构能有效地将辐射复合产生的光子约束在器件内部，引发“光子再吸收”（即光子回收）效应，其可显著延长有效载流子寿命，实现优异的电导率调制，从实验上首次证实了光子回收在提升GaN功率器件性能中的价值。该工作以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会议 “Vertical GaN Power Devices” 分会场第一篇口头报告，该工作第一作者为博士研究生葛鑫晨，通讯作者为郭小路副研究员、钟耀宗副研究员及孙钱研究员。
图2. (a)带倾角台面结终端的GaN p-n功率二极管示意图，(b) 两种器件的关态I-V特性曲线；(c) 台面倾角对器件边缘电场影响的仿真图，(d)小倾角台面器件的动态导通电阻测试曲线；(e) 两种器件的正向I-V曲线，(f)封装的小倾角台面器件的浪涌I-V曲线，(g)两种器件的EL曲线；(h) 台面边缘的光子回收示意图。
上述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。
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