氮化镓功率器件，将被重新定义

印度科学学院（IISc）的研究人员揭示了氮化镓（GaN）功率晶体管设计中的核心机理，使其在电动汽车、数据中心等高价值电子设备中应用时更安全、更易用。相关成果已发表在《IEEE 电子器件汇刊》上。

为何需要重新思考氮化镓晶体管

氮化镓可显著降低能量损耗，并将功率转换器及其他电力电子模块的体积缩小三分之二。但由于控制电流的栅极性能受限，其产业化应用进展缓慢。

目前商用的p‑GaN 栅极晶体管，开启阈值电压（导通所需栅压）较低，通常在 1.5–2 V 左右，且在 5–6 V 以上就会出现明显漏电流。

业界一直缺乏对这类晶体管栅极调控机理、以及阈值电压决定因素的底层认知。印度科学学院电子系统工程系（ESE）研究团队通过两部分研究对此展开探索。

电子系统工程系教授兼系主任、该研究通讯作者马扬克・施里瓦斯塔瓦表示：“这项工作的独特之处在于采用了两步法：我们首先补上了 p‑GaN 耗尽状态、漏电路径与器件开启之间缺失的物理关联，再基于这一认知设计出新型栅极堆叠结构，使其栅极特性更接近常规 MOSFET。”

定位漏电路径与耗尽模式

在研究中，IISc 团队设计了多款新型栅极结构，将电学测试结果与模型、显微分析相结合。他们发现，器件特性取决于 p‑GaN 层是完全耗尽还是部分耗尽。

当 p‑GaN 层部分耗尽时，细微的漏电路径将决定整体表现：若关键界面出现正电荷积累，器件会提前开启；若能抑制这种电荷积累，耗尽区会先扩展，晶体管将在更高阈值电压下才导通。

施里瓦斯塔瓦说：“令人意外的是，这些‘微小’的漏电路径竟能如此强烈地决定整个器件的开启特性。”

基于这些发现，团队设计并验证了新型金属基栅极堆叠结构，可将栅极漏电流降低最高一万倍，同时提升阈值稳定性，栅极击穿电压可达约 15.5 V。

用于更安全、更稳定氮化镓器件的新型栅极堆叠

接下来，团队将上述基础机理转化为集成式铝钛氧化物（AlTiO）基 p‑GaN 栅极堆叠结构。这是一项全新的专利方案，能够抑制不必要的电荷注入，并强制器件进入高阈值耗尽扩展模式。

最终器件实现了超过 4 V 的超高阈值电压，接近硅基MOSFET水平，同时保持出色的栅极控制能力与阈值稳定性，并实现了超高栅极击穿电压。

该研究第一作者、电子系统工程系博士生拉西克・拉希德・马利克表示：“这一成果有望加速氮化镓在电动汽车功率转换器、服务器/数据中心电源、可再生能源逆变器，以及其他高可靠性、大功率开关应用中的普及。”

这类技术突破可推动氮化镓在对可靠性、稳健性和性能裕度要求极高的场景中落地，为本土实现先进电子方案跨越式发展创造机遇。

目前，团队正计划通过政府支持、产业授权与合作，将该技术规模化推向商用。施里瓦斯塔瓦表示：“实现更高阈值电压、同时具备低漏电流和强栅极过驱裕度，是氮化镓进入下一阶段规模化应用的关键条件之一。而这正是我们要解决的核心问题。”