华南理工大学微电子学院杨文副教授课题组在氮化镓（GaN）功率器件研究领域取得系列重要进展，相关成果近期分别发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》《Applied Physics Letters》及《IEEE Transactions on Electron Devices》等电力电子及微电子器件国际顶尖期刊，系列成果涵盖了GaN功率器件极端应力下的可靠性物理机制、智能建模技术到在线监测技术，形成了全链条技术闭环。
基于p-GaN功率器件开态漏极电流变化率的在线监测方法
在电力电子系统实际运行中，p-GaN功率器件常承受重复性静电放电等应力，性能退化状态难以通过传统离线检测手段实时获取，开发非侵入式在线监测方法具有重要的工程价值。针对该需求，研究首次将漏极电流变化率与器件工作状态相关联，基于开态漏极电流变化率与阈值电压、界面态密度等参数的物理联系，搭建了嵌入工作回路的非侵入式探测电路平台，成功实现了对栅极ESD应力下器件特性参数退化趋势的在线预测。该成果发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》，2023级硕士研究生江相行为第一作者。
p-GaN状态监测电路平台及等效电路图
文章链接：
https://doi.org/10.1109/TPEL.2026.3651313
GaN FinFET界面化学键断裂动力学与TDDB退化机理研究
GaN FinFET因其优异的栅控能力与高功率密度潜力，在数据中心三次电源等高频电力电子领域具有重要应用前景。然而，该类器件的双极性栅极界面存在极化与非极化晶面共存的特点，其退化机理远比传统平面器件复杂，目前尚缺乏清晰的物理认识，严重制约了其可靠性评估与寿命预测方法的建立。针对这一问题，课题组系统开展了室温及高温恒压应力测试，发现器件中存在两种竞争性失效机制，进而提出基于“键断裂动力学”的解释模型，修正了传统仅基于面积缩放律（Area Scaling Law）的寿命预测偏差，为GaN FinFET器件寿命的精准预测奠定了物理基础。该成果发表于《Applied Physics Letters》，2023级博士研究生武鹏为第一作者。
GaN FinFET界面机理分析及实验切面图
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0327282
p-GaN HEMTs超低温环境下栅极可靠性及退化机理研究
深空探测、量子计算机等超低温环境对高可靠性功率器件提出了迫切需求，然而p-GaN HEMTs在极低温下的栅极退化机制与陷阱行为尚缺乏系统认知，尤其是陷阱冻结效应的影响有待揭示。为此，研究团队系统探究了10 K环境温度下p-GaN HEMTs在正偏置温度不稳定性应力下的阈值电压退化机制，重点关注陷阱冻结效应引发的栅极陷阱行为，创新性地发现了超低温下阈值电压跳变呈现非阿伦尼乌斯关系，深化了对极低温条件下GaN器件陷阱动力学的理解。该成果发表于《IEEE Transactions on Electron Devices》，2024级博士研究生宋传为第一作者。
超低温环境下的p-GaN HEMTs测试结果图与机理图
文章链接：
https://doi.org/10.1109/TED.2026.3688227
基于神经网络的GaN HEMT器件动态导通电阻精确建模
GaN HEMT功率器件动态导通电阻的精准建模对电力电子变换器设计至关重要，但传统方法高度依赖大量测试数据，且难以兼顾物理规律与器件个体差异，建模效率与泛化能力均显不足。鉴于此，课题组提出一种器件自适应物理信息神经网络框架及其时序变体。该方法以静态导通电阻为桥梁，融合物理理论约束，仅需少量测试数据即可实现精准外推预测，为GaN器件的可靠性设计与性能评估提供了数据高效且物理一致的新范式。该成果发表于《IEEE Transactions on Electron Devices》，2024级直博生关晶允为第一作者。
DA-PINN算法原理图及其中两个器件的留一法预测结果
上述研究工作均由杨文副教授担任通讯作者，华南理工大学为论文第一署名单位。系列成果从半导体底层物理失效机理探索，到人工智能前沿算法精准建模，再到系统级非侵入式在线监测，有效回应了GaN功率器件在极端工况下面临的寿命预测难、个体差异大、状态监测手段不足等行业痛点，为下一代高可靠性电力电子系统的设计与评估提供了理论支撑与工程范式。
作者简介
杨文，华南理工大学副教授，博士生导师，入选广东省高层次人才计划。博士毕业于美国中佛罗里达大学，长期深耕宽禁带半导体器件可靠性、功率半导体失效分析及数模混合集成电路可靠性领域。具有丰富的国际工业界经验，曾作为资深工程师就职于全球顶级半导体企业美国亚德诺半导体有限公司（ADI），主导数模混合集成电路的失效分析、工艺优化及良率提升，为多代工艺平台量产提供关键技术支撑。在IEEE EDL、APL、IEEE T-ED、IEEE IRPS等国际顶级期刊与会议发表论文20多篇，4次在IEEE IRPS、ISPSD等顶尖会议作口头报告，曾任IEEE EDS Orlando Section主席。目前主持及参与国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重点研发专项及国家重点实验开放课题等8项宽禁带功率半导体器件可靠性项目，与多家功率半导体器件头部机构建立有长期合作。
（来源：华南理工大学微电子学院）
