使用 TCAD 仿真优化用于简化工艺的双通道增强型 MIS-GaN HEMT

更智能的电力开关为何重要

现代电子设备、电动汽车和快速充电器都依赖于每秒开关数百万次的电子开关。氮化镓（GaN）器件正成为下一代开关的有力候选，因为它们能承受高电压并具有很高的效率。然而，许多 GaN 开关在没有特殊控制电压时天然处于“导通”状态，这会使电路复杂化并带来安全隐患。本文探讨了一种新的 GaN 晶体管设计，它在制造上相对简单的同时能够保持本征断态。

两个层而非一个

作者聚焦于一种称为高电子迁移率晶体管（HEMT）的 GaN 器件，传统上这种器件使用一层超薄的高迁移率电子层作为主导电通道。在传统结构中，这一层一经形成便会产生高导电性路径，使晶体管默认处于“导通”状态。研究团队提出在常规通道下方增加第二个埋置的导电层，形成“双通道”结构。关键在于，只有上层用于源极与漏极之间的电流传输；下层被刻意排除在主要电流路径之外，而是作为一个内部控制元件使用。

隐藏层如何改变平衡

通过与真实单通道器件校准的详尽计算机仿真，作者展示了埋置层如何表现得像一个内建的负电压源。由于该下层充满电子，它在有效上相当于在主动通道下方保留了一个永久的负电荷。该负电荷会微妙地提升上层的能势，使得电子不易在上层聚集。因此，在栅电压为零时，晶体管不再导通：需要施加正向控制电压将电子重新拉回上层，形成连续的电流路径。行为上的这一转变把一个本征导通的开关变成了本征断态的开关。

在安全与性能之间权衡

研究将这种新型双通道器件与已实际制造并测量的传统单通道器件进行了比较。用通俗的话说，结果显示出一种权衡：新设计将器件的“导通”点提高了约 1.7 伏，成功实现了本征断态，但同时也略微降低了导通时的电流能力。这是因为有助于使器件进入断态的调整——例如减薄某一关键层并降低其铝含量——也减少了主通道中可用的电子数。仿真还显示，由于两通道之间电荷的堆积，双通道结构会使器件在应力下的击穿电压略有下降。

像调节旋钮一样微调层参数

该设计的优势之一在于它为工程师提供了多个可以调节的“旋钮”以微调器件行为。通过调整形成通道的两个势垒层的厚度和组分，团队展示了可以以可控方式移动导通电压，但代价是部分电流能力。研究还表明，减薄栅下的绝缘层可以让栅极更有效地夹断通道，使导通电压可推高到约 1.3 伏，同时保持稳定的本征断态操作。这种可调性表明该结构可以根据不同电力应用的安全裕度和效率目标进行适配。

对未来电子的意义

对非专业读者来说，关键结论是作者想出了一种巧妙方法，在 GaN 晶体管内部“隐藏”了一种内建的制动机制——通过一个从不用于承载主电流的额外埋置通道实现。这个内部制动器将器件从默认导通状态转变为默认断态，而不依赖于难以在批量生产中控制的复杂或精细工艺步骤。尽管与最佳传统器件相比，新设计在原始性能和击穿强度上有所牺牲，但它为实现更安全、本征断态的 GaN 开关提供了更简单的途径。安全性、工艺简化和可调性相结合，可能使其在未来的高效能电力转换器及其他高要求电子系统中具有吸引力。

引用: 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

关键词: 氮化镓功率晶体管, 本征断态 GaN HEMT, 双通道器件, 电力电子开关, TCAD 器件仿真