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Semiconducting p-GaN gate HEMT with avalanche-like non-destructive breakdown capability

光电子学 材料科学 高电子迁移率晶体管 雪崩击穿 击穿电压 撞击电离 雪崩二极管 电极 图层(电子) 阻挡层 俘获 过电压 降级(电信) 氮化镓 功率半导体器件 随时间变化的栅氧化层击穿 电离 电压 晶体管 压力(语言学) 电子 高压 电子迁移率 齐纳二极管 阈值电压 宽禁带半导体 消散 薄膜
作者
Jingjing Yu,Junjie Yang,Qian Zheng,Sihang Liu,Maojun Wang,Xuelin Yang,Bo Shen,Jin Wei
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:139 (20) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0319233
摘要

Non-destructive avalanche breakdown is crucial for enhancing the robustness of power devices against overvoltage stresses and surge energy, whereas state-of-the-art GaN HEMTs present no avalanche capability. In this work, we demonstrate a semiconducting p-GaN gate HEMT (SG-HEMT) that achieves avalanche-like non-destructive breakdown capability. A thin p-GaN layer covering the AlGaN layer serves as the intrinsic gate, with a control electrode formed outside the active region. This thin p-GaN layer (i.e., the SG) depletes the 2DEG in the channel and creates an energy barrier for electrons. During the blocking state, the depletion region gradually expands within the SG under high drain stress. Once the SG is fully depleted, the electron barrier in the channel is eliminated, allowing electron current to flow and consequent avalanche-like non-destructive breakdown. While this non-destructive breakdown exhibits similar electrical characteristics as the avalanche process, the SG-HEMT operates on a distinct physical mechanism. Instead of impact ionization and carrier multiplication, breakdown of the SG-HEMT is triggered by the full depletion of the SG, facilitating unipolar channel electron conduction. Thus, the well-designed SG-HEMT with an SG length of 9 μm exhibits a non-destructive breakdown voltage of ∼483 V, targeting 400 V applications. Moreover, the SG-HEMT shows no current degradation after ten cycles of repetitive breakdown tests. Meanwhile, owing to the suppression of trapping effects by the SG, an ultra-low dynamic RON/static RON ratio of 1.09 is achieved after 400 V stress. These results indicate that the SG-HEMT offers a promising pathway to construct highly robust GaN power systems.
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