Оптимизация enhancement-mode MIS-GaN HEMT с двойным каналом для простого процесса с использованием TCAD-симуляций

Почему умные силовые ключи важны

Современные гаджеты, электромобили и быстрые зарядные устройства полагаются на электронные ключи, которые включают и выключают питание миллионы раз в секунду. Устройства на нитриде галлия (GaN) рассматриваются как следующее поколение таких ключей, поскольку они выдерживают высокие напряжения и работают с высокой эффективностью. Однако многие GaN-ключи по своей природе находятся в состоянии «включено», если только специальное управляющее напряжение не переводит их в состояние «выключено», что усложняет схемы и может быть небезопасно. В этой работе исследуется новая конструкция GaN-транзистора, которая по умолчанию остается выключенной и при этом относительно проста в изготовлении.

Два слоя вместо одного

Исследователи сосредоточились на типе GaN-устройства, называемом транзистором с высокой подвижностью электронов (HEMT), который обычно использует один сверхтонкий слой, по которому электроны движутся очень быстро. В традиционной версии этот слой формирует высокопроводящий канал сразу после изготовления устройства, поэтому транзистор по умолчанию находится в состоянии «включено». Команда предлагает добавить второй, зарытый проводящий слой под обычным, создавая структуру с «двойным каналом». Существенно то, что только верхний слой используется для переноса тока между истоком и стоком; нижний слой намеренно выводится из основного тока и служит внутренним управляющим элементом.

Как скрытый слой меняет равновесие

Используя подробные компьютерные симуляции, откалиброванные по реальному однослойному устройству, авторы показывают, как зарытый слой действует подобно встроенному источнику отрицательного напряжения. Поскольку он заполнен электронами, этот нижний слой ведет себя так, будто под активным каналом удерживается постоянный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд слегка поднимает энергетический ландшафт верхнего слоя, делая более трудным накопление электронов в нем. В результате транзистор перестает проводить ток при нулевом напряжении затвора: теперь требуется положительное управляющее напряжение, чтобы вернуть электроны в верхний слой и создать непрерывный путь для тока. Такое изменение поведения превращает обычно включенный ключ в обычно выключенный.

Баланс между безопасностью и характеристиками

Исследование сравнивает новое устройство с двойным каналом с традиционной однослойной версией, которая была фактически изготовлена и измерена. Проще говоря, результаты показывают компромисс: новая конструкция поднимает «напряжение включения» устройства примерно на 1,7 вольта, успешно делая его обычно выключенным, но при этом немного ухудшает легкость протекания тока в открытом состоянии. Это связано с тем, что изменения, помогающие перевести устройство в состояние «выключено» — например, утончение одного из ключевых слоев и снижение содержания алюминия в нем — также уменьшают число электронов в основном канале. Симуляции дополнительно показывают, что структура с двойным каналом умеренно снижает напряжение пробоя устройства при нагрузке из‑за того, как заряды накапливаются между двумя каналами.

Настройка слоев как поворот реостата

Одна из сильных сторон предложенной конструкции в том, что она предлагает несколько «ручек», которыми инженеры могут управлять для тонкой настройки поведения. Регулируя толщину и состав двух барьерных слоев, формирующих каналы, команда показывает, что можно управляемо сдвигать напряжение включения, в обмен на некоторую потерю токовой способности. Они также демонстрируют, что уменьшение толщины изоляционного слоя под затвором позволяет затвору эффективнее пережимать канал, сдвигая напряжение включения до примерно 1,3 вольта при сохранении стабильной обычно‑выключенной работы. Такая настраиваемость позволяет приспособить структуру к различным силовым приложениям с разными требованиями по безопасности и эффективности.

Что это означает для электроники будущего

Для неспециалистов главный вывод в том, что авторы придумали умный способ встроить нечто вроде внутреннего «тормоза» в GaN‑транзистор, используя дополнительный зарытый канал, который никогда не предназначен для переноса основного тока. Этот внутренний тормоз переводит устройство из состояния «включено по умолчанию» в состояние «выключено по умолчанию» без опоры на сложные и хрупкие технологические приемы, трудноуправляемые при массовом производстве. Хотя новая конструкция жертвует частью пиковой производительности и прочности на пробой по сравнению с лучшими традиционными устройствами, она предлагает более простой путь к безопасным обычно‑выключенным GaN‑ключам. Такое сочетание безопасности, простоты и возможности настройки может сделать её привлекательной для будущих высокоэффективных преобразователей мощности и других требовательных электронных систем.

Цитирование: Lee, K.H., Yang, Y., Heo, J. et al. Optimization of enhancement-mode MIS-GaN HEMT with dual channel for simple process using TCAD simulation. Sci Rep 16, 11068 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41105-1

Ключевые слова: силовой транзистор на нитриде галлия, обычно выключенный GaN HEMT, устройство с двойным каналом, силовые электронные ключи, TCAD моделирование приборов