在拓展电力电子半导体材料性能的赛道上，研究人员正愈发聚焦氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMTs)的颠覆性特性。

尽管碳化硅(SIC)长期主导高压应用领域，但氮化镓技术的最新突破 —— 特别是 10kV 级增强型(e-mode)HEMT 的实现 —— 正预示着行业范式的转变。《应用物理快报》近期发表的一项研究表明，通过精密设计的 p-GaN 栅极结构，可在实现前所未有的击穿电压的同时，保持低导通电阻。本文将深入解析这一里程碑技术的物理原理、核心设计策略，以及其对下一代电力电子技术的深远影响。

电压壁垒：为何 10kV 具有里程碑意义

突破 10kV 增强型 GaN HEMT 的电压阈值，绝非仅具新闻价值的象征性成就。它直面高压电力设备在实际应用中的核心需求 —— 在电网级变流器、电动汽车、铁路牵引系统、可再生能源基础设施及航空航天平台等场景中，对紧凑型、高效率、高耐热性功率器件的迫切需求。在该电压等级下，降低开关损耗与导通损耗可直接带来三大优势：冷却系统小型化、功率模块轻量化，以及全生命周期成本优化。

10kV 电压等级的实现，使得器件可直接接入中压交流电网(如 7.2kV 或 13.2kV)，省去体积庞大的变压器，简化系统架构。

此外，下一代航空器正探索采用高压直流母线(如 540V、1kV 及以上)以降低电流和电缆重量;而 10kV GaN HEMT 可支撑电力转换与保护系统的高效运行，实现从发电机到负载的能源优化分配。

历史上，实现千伏级工作电压往往需要特殊的垂直结构、复杂的漂移区设计，或在栅极控制上做出妥协(如常通型工作模式)，这会增加故障安全设计的复杂度。而这项新技术证明，采用行业标准晶圆和平面结构，即可实现前所未有的高压增强型(常断)工作模式，降低了现有 GaN 生产线的技术适配门槛。

RESURF 工程：p-GaN 栅极的核心作用

10kV 技术突破的关键驱动力，是通过 p-GaN 栅极结构实现的降场(RESURF)效应，对器件高压性能的精准调控。该区域通过在 GaN 层中进行镁(Mg)掺杂形成，通常需经过退火处理使镁受主激活。

在横向大功率 GaN 器件中，电场易在栅极漏极端边缘集中，导致器件在远低于材料理论极限的电压下提前击穿。这一现象源于电势突变区域的电场线密集分布，尤其在栅极终止与漏区起始的交界处更为显著。

RESURF 技术通过引入电荷平衡层(此处为 p-GaN)解决了这一问题 —— 如图 1 所示，该层将横向电场重构为漂移区上更均匀的梯形分布。值得注意的是，p-GaN 层不仅实现了增强型栅极控制，同时承担了 RESURF 层的功能。

RESURF 与极化超结技术的对比

III 族氮化物材料(GaN、AlGaN、AlN)因其非中心对称的纤锌矿晶体结构，以及异质结处应变诱导的晶格畸变，天然具有强烈的自发极化与压电极化效应。

在 AlGaN/GaN 等异质结界面，这些极化效应会产生固定的正、负面电荷。通过精密堆叠或组分渐变设计这些层结构，工程师可构建交替的极化电荷区域，实现电荷平衡，形成近乎均匀的垂直电场。这构成了极化超结技术的核心原理 —— 一种垂直电荷平衡架构，其设计理念与硅 MOSFET 中的超结技术相似。

相比之下，RESURF 技术通过在栅极附近引入薄掺杂 p-GaN 层，实现对横向表面电场的调控。当 p-GaN 区域反向偏置时，会形成耗尽层，留下固定的电离镁受主负电荷。这些负电荷与 AlGaN/GaN 界面的极化正电荷及缓冲层中的类施主电荷形成平衡，使横向电场分布更均匀，从而提升击穿电压 —— 这正是 RESURF 效应的核心机制(图 1)。

简而言之，极化超结通过本征极化电荷调控垂直电场，而 p-GaN RESURF 技术则通过电离受主电荷工程调控横向电场。

优化 p-GaN 层厚度

实现电场平衡需要精准控制 p-GaN 层厚度。在近期的 10kV 增强型 GaN HEMT 研究中，研究人员发现 p-GaN 帽层的最优厚度范围为 17-21nm。在此区间内，电离镁受主产生的负电荷可有效耗尽下方的二维电子气，并平滑表面电场。厚度过薄会导致电荷补偿不足，栅极附近电场峰值过高;厚度过厚则会造成过度补偿，使电场峰值向漏区偏移。

当 p-GaN 层厚度优化至约 17nm 时，器件击穿电压随栅漏间距近乎线性增长：栅漏间距 35μm 时，击穿电压达到约 5kV，而间距 10μm 时仅为 810V。这种几何结构与电荷调制的平衡设计，首次通过传统高掺杂 p-GaN 栅极实现了 10kV GaN 增强型 HEMT 的可靠验证。

突破理想模型的局限

有趣的是，实测结果与理想 RESURF 和极化超结模型的预测存在差异 —— 后者假设电荷分布完全可控且静态。

实际器件对层厚度和掺杂浓度的变化表现出更强的耐受性。研究团队发现，这种鲁棒性源于外延生长过程中形成的类施主陷阱态。在高电场下，这些陷阱态被电离，向导带释放电子，并在漂移区内留下固定正电荷。这种分布式正电荷有效放宽了理想 RESURF 和极化超结条件下严苛的电荷平衡要求，使器件击穿电压对工艺波动的敏感度显著降低。

这一违反直觉的发现表明：材料缺陷非但没有劣化器件的高压性能，反而起到了稳定作用。该研究揭示了一个重要洞察：10kV GaN 器件的卓越鲁棒性，源于外延层自然形成的自补偿电荷平衡机制及工艺波动耐受性。

电荷平衡与外延工艺耐受性

该架构的核心优势之一，在于 p-GaN/AlGaN 界面附近镁掺杂的独特行为。由于金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长过程中镁的溶解度有限且存在扩散现象，镁浓度并非突变下降，而是在接近界面时逐渐衰减。这种自然的浓度梯度平滑了层间过渡，有助于微调 RESURF 效应所需的电荷平衡，无需追求纳米级的厚度精度。

得益于这种自调节掺杂分布，器件结构可自然补偿 p-GaN 厚度或掺杂浓度的微小变化。生长条件的轻微波动不会显著影响电场分布，使设计具备内置的制造裕量。从量产角度看，这种工艺耐受性是关键优势：它降低了器件差异性，提升了良率，并允许 10kV GaN HEMT 在标准 MOCVD 平台上生长，无需依赖极端工艺控制。这种鲁棒性使 GaN 在高压应用领域的成本与 scalability 上，成为 SiC 的有力竞争者。

性能对比：GaN vs SiC

这款基于蓝宝石衬底的优化型 10kV GaN HEMT，其比导通电阻达到 69mΩ・cm²，显著优于传统 10kV SiC MOSFET(通常超过 100mΩ・cm²)。更低的导通电阻直接转化为导通损耗的降低 —— 在中压驱动器、固态变压器及其他功率转换系统中，哪怕几个百分点的效率提升都可能带来革命性影响。

此外，凭借更高的电子迁移率和更低的栅极电荷，GaN 器件的开关速度优于 SiC 器件。这使得器件可工作在更高开关频率下，进而允许设计师采用更小的无源元件(变压器、电感器、电容器)，最终实现功率系统的高密度、轻量化与高效率。

应力条件下的可靠性

为评估长期稳定性，研究人员对一款 5kV 器件进行了高温反向偏置应力测试(150℃下施加 3kV 电压)。测试期间，器件阈值电压和导通电阻仅出现微小漂移，漏电流增长符合热学规律，未出现性能劣化。

该结果不仅验证了电荷调制方案的鲁棒性，也证明了 p-GaN 栅极结构在高电场下的耐热性。对于任务关键型系统而言，这种稳定性是必备前提 —— 这表明 GaN 现已能在传统上对恶劣环境耐久性要求极高的应用中，与 SiC 展开正面竞争。

迈向可扩展的千伏级 GaN 功率器件

本文聚焦的技术突破，标志着 GaN 功率器件工程的关键一步。通过采用标准 p-GaN 栅极结构，并利用异质结处的自然电荷平衡机制，研究人员证明了千伏级增强型工作模式不仅具备实用性，更具备量产可行性。

随着电力电子技术向更高电压、更紧凑集成、更恶劣工作环境演进，10kV 增强型 GaN HEMT 等创新技术正在为下一代系统奠定基础 —— 从轻量化航空器变流器到高效率并网可再生能源系统。长期以来制约行业发展的 “电压壁垒” 终于被打破，GaN 正崛起为新时代电力电子技术的核心赋能者。

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