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基于p-GaN栅极HEMT平台的高电流增强型InGaN/GaN p-FET
High-Current E-Mode InGaN/GaN p-FET on p-GaN Gate HEMT Platform
| 作者 | Jingjing Yu · Jin Wei · Junjie Yang · Teng Li · Han Yang · Yingming Song |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | InGaN/GaN p-FET 高电流 互补逻辑电路 极化电荷 2DHG |
语言:
中文摘要
增强型（E 模式）氮化镓（GaN）p 沟道场效应晶体管（p - FET）的低电流密度对其在互补逻辑（CL）电路中的应用构成了严峻挑战。在这项工作中，在具有 p - 铟镓氮（InGaN）/p - GaN/铝镓氮（AlGaN）/GaN 异质结构的 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管（HEMT）平台上展示了一种高电流 E 模式 InGaN/GaN p - FET。所提出的异质结构在 InGaN/GaN 界面引入了净极化电荷，从而增强了二维空穴气（2DHG）。在施加负栅极偏压时，在表面金属 - 绝缘体 - 半导体（MIS）沟道形成之前会先形成一个埋入式 2DHG 沟道。因此，栅长（${L}_{\text {G}}$）为 2 微米的凹槽栅 InGaN/GaN p - FET 实现了超过 - 20 毫安每毫米的大最大电流（${I}_{\max }$）。该 InGaN/GaN p - FET 的导通电阻（${R}_{\text {ON}}$）低至 0.64 千欧·毫米，通态电流（${I}_{\text {ON}}$）与关态电流（${I}_{\text {OFF}}$）之比超过$10^{7}$。该器件呈现 E 模式工作特性，阈值电压（${V}_{\text {TH}}$）为 - 1.8 伏，亚阈值摆幅（SS）低至 144 毫伏每十倍程。此外，在同一平台上制备了 E 模式 n 沟道 GaN HEMT，验证了所提出的 InGaN/GaN p - FET 在 GaN CL 电路中的应用潜力。
English Abstract
The low current density in E-mode GaN p-FET presents a severe challenge for its application in complementary logic (CL) circuits. In this work, a high-current E-mode InGaN/GaN p-FET is demonstrated on a p-GaN gate HEMT platform with p-InGaN/p-GaN/AlGaN/GaN heterostructure. The proposed heterostructure introduces a net polarization charge at the InGaN/GaN interface, leading to an enhanced 2DHG. With a negative gate bias, a buried 2DHG channel is formed prior to the surface MIS channel. As a result, the recess-gate InGaN/GaN p-FET with L_ G = 2~ m achieves a large maximum current ( I_ ) exceeding −20 mA/mm. The InGaN/GaN p-FET obtains a low R_ ON of 0.64 k mm and a high I_ ON / I_ OFF ratio exceeding 10^7 . The device presents E-mode operation with a threshold voltage ( V_ TH ) of −1.8 V and a low subthreshold swing (SS) of 144 mV/dec. Furthermore, an E-mode n-channel GaN HEMT is fabricated on the same platform, validating the potential of the proposed InGaN/GaN p-FET for GaN CL circuits.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项高电流增强型InGaN/GaN p-FET技术具有重要的战略价值。该技术通过在p-GaN栅极HEMT平台上引入p-InGaN/p-GaN/AlGaN/GaN异质结构，利用极化电荷效应形成增强型二维空穴气（2DHG）通道，成功将p-FET的最大电流密度提升至-20 mA/mm以上，这是实现GaN互补逻辑电路的关键突破。
对于阳光电源的核心业务，该技术的应用潜力主要体现在三个维度。首先，在光伏逆变器和储能变流器领域，GaN互补逻辑电路可显著提升功率器件的驱动和控制精度，降低静态功耗，这对于提高系统整体效率至关重要。其次，该器件展现的0.64 kΩ·mm低导通电阻和超过10^7的高开关比，结合-1.8V阈值电压的增强型特性，意味着更优的开关性能和更高的可靠性，这将直接改善我们1500V及以上高压系统的功率密度和热管理能力。第三，在同一平台上实现n沟道和p沟道器件的单片集成，为开发高度集成的电源管理芯片提供了可能，这将推动我们在储能系统BMS和光伏组件级电力电子MLPE产品上的技术领先优势。
然而需要注意的是，该技术目前仍处于实验室研发阶段，距离大规模商业化应用还需解决工艺稳定性、成本控制和长期可靠性验证等挑战。建议阳光电源保持技术跟踪，并在适当时机与相关研究机构建立合作，为下一代高效能源转换系统储备核心技术能力。