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基于硅衬底的E模AlN/GaN HEMT在3.6 GHz下实现80.4%功率附加效率用于低电源电压射频功率应用
E-Mode AlN/GaN HEMTs on Si With 80.4% PAE at 3.6 GHz for Low-Supply-Voltage RF Power Applications
| 作者 | Guangjie Gao · Zhihong Liu · Lu Hao · Fang Zhang · Xiaojin Chen · Hanghai Du |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 增强型AlN/GaN HEMTs T形凹槽栅 电学性能 功率特性 射频功率应用 |
语言:
中文摘要
在硅衬底上制备了具有 160 纳米 T 形凹槽栅的增强型（E 型）AlN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）。所制备的器件阈值电压（${V}_{\text {TH}}$）为 +0.35 V，最大漏极电流（${I}_{\text {DMAX}}$）为 1.58 A/mm，导通电阻（${R}_{\text {ON}}$）低至 1.8 Ω·mm，峰值跨导（${G}_{\text {MMAX}}$）超过 580 mS/mm。截止频率（${f}_{\text {T}}$）达到 85 GHz，最大振荡频率（${f}_{\max }$）为 75 GHz。在 3.6 GHz 下进行的负载牵引连续波（CW）功率扫描测量显示，在${V}_{\text {DS}} = 6$ V 时，峰值功率附加效率（PAE）为 71.4%，饱和输出功率密度（${P}_{\text {out}}$）为 0.70 W/mm。在 3.6 GHz 脉冲波（PW）功率扫描且${V}_{\text {DS}} = 6$ V 条件下，该器件的功率附加效率为 80.4%，相关输出功率密度（${P}_{\text {out}}$）为 0.5 W/mm。这些结果表明，具有栅凹槽的 E 型 AlN/GaN HEMT 在低电源电压射频功率应用方面具有巨大潜力。
English Abstract
Enhancement-mode (E-mode) AlN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) with a 160-nm T- shape recessed gate on a silicon substrate were fabricated. The fabricated device has a V_ TH of +0.35 V, and shows a maximum drain current ( I_ DMAX ) of 1.58 A/mm, a low on- resistance ( R_ ON ) of 1.8~ mm, and a peak transconductance ( G_ MMAX ) over 580 mS/mm. A cut-off frequency ( f_ T ) of 85 GHz and a maximum oscillation frequency ( f_ ) of 75 GHz were obtained. Load pull continuous-wave (CW) power sweep measurement at 3.6 GHz demonstrated a peak power-added-efficiency (PAE) of 71.4% and a saturated output power density ( P_ out ) of 0.70 W/mm at V_ DS=6 V. At 3.6 GHz pulsed wave (PW) power sweep at V_ DS=6 V the device demonstrated an 80.4% PAE and 0.5 W/mm associated P_ out . These results promises the great potential of E-mode AlN/GaN HEMTs with gate recess in the applications of low supply voltage RF power applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项增强型AlN/GaN HEMT技术展现出显著的战略价值。该器件在低供电电压（6V）下实现80.4%的功率附加效率（PAE），这一突破性指标直接契合我们光伏逆变器和储能变流器对高效功率转换的核心需求。
技术优势方面，该器件的正阈值电压（+0.35V）实现了常关特性，这对提升系统安全性至关重要，可有效降低逆变器待机功耗和误触发风险。1.8Ω·mm的超低导通电阻和1.58A/mm的高电流密度，意味着在相同功率等级下可显著减小芯片面积，这将直接降低我们高功率密度逆变器产品的成本和体积。85GHz截止频率虽然主要面向射频应用，但其反映的高速开关特性也可为我们未来开发更高开关频率的电力电子产品提供技术储备。
应用潜力方面，该技术在3.6GHz射频功率应用的优异表现，为阳光电源拓展电动汽车无线充电、储能系统无线通信模块等新兴业务提供了可能。硅基底的采用降低了制造成本，有利于规模化生产。然而，我们也需关注技术挑战：从射频器件到电力电子应用的转化需要验证其在低频大功率工况下的可靠性；160nm栅极工艺的长期稳定性和量产一致性需要进一步评估；AlN势垒层的工艺复杂度可能影响成本竞争力。
建议我们的研发团队持续跟踪该技术方向，特别关注其在中低压大电流场景的适配性，评估在组串式逆变器和储能PCS中的应用可行性。