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具有AlN插入层的新型增强型p沟道GaN MOSFET
Novel Enhancement-Mode p-Channel GaN MOSFETs With an AlN Insert Layer
| 作者 | Hai Huang · Maolin Pan · Qiang Wang · Xinling Xie · Yannan Yang · Xin Hu |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p沟道GaN MOSFET AlN插入层 亚阈值摆幅 阈值电压 开/关电流比 |
语言:
中文摘要
在本研究中，在专为 p - GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）设计的商用 GaN 晶圆上展示了一款增强型（E 型）p 沟道 GaN 金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（p - MOSFET），其最大导通态电流（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}$ </tex - math></inline - formula>）密度为 10.5 mA/mm，阈值电压（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula>）为 - 2.45 V，<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}/{I}_{\text {OFF}}$ </tex - math></inline - formula> 比为 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$10^{{8}}$ </tex - math></inline - formula>。此外，我们提出了一种新型 E 型 p 沟道场效应晶体管（p - FET），其在 p - GaN 层内具有一层 AlN 插入层。该 AlN 层在导电沟道中引入了额外电容，并降低了器件的体因子 m。p - GaN/AlN/p - GaN/AlGaN 结构降低了等效沟道电容，实现了 60 mV/十倍频的最小逐点亚阈值摆幅（SS）。与传统 p - GaN 沟道场效应晶体管相比，SS 在三个数量级上从 225 mV/十倍频降至 105 mV/十倍频，<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula> 移至 - 3.05 V，<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}/{I}_{\text {OFF}}$ </tex - math></inline - formula> 比增至 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$2 \times 10^{{8}}$ </tex - math></inline - formula>，并且该器件还具有低至 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$10 \; ^{-{8}}$ </tex - math></inline - formula> mA/mm 的关态泄漏电流。所提出的结构在基于 GaN 的互补金属 - 氧化物 - 半导体（CMOS）逻辑和功率器件方面具有很大的吸引力。
English Abstract
In this work, an enhancement-mode (E-mode) p-channel GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (p-MOSFET) with a maximum ON-state current ( I_ ON ) density of 10.5 mA/mm, threshold voltage ( V_ TH ) of −2.45 V, and I_ ON/I_ OFF ratio of 10^8 is demonstrated on a commercial GaN wafer designed on a p-GaN HEMT. Furthermore, we present a novel E-mode p-FET featuring an AlN insertion layer within the p-GaN layer. The AlN layer introduces extra capacitance in the conducting channel and decreases the body factor m of devices. The p-GaN/AlN/p-GaN/AlGaN structure reduces the equivalent channel capacitance, achieving a minimum point-by-point subthreshold swing (SS) of 60 mV/dec. Compared with that of the conventional p-GaN channel FET, the SS decreases from 225 to 105 mV/dec over three orders, the V_ TH shifts to −3.05 V, the I_ ON/I_ OFF ratio increases to 2 10^8 , and the device also has an ultralow off-state leakage current in the range of 10 ; ^-8 mA/mm. The proposed structure is compelling for GaN-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) logic and power devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于AlN插入层的增强型p沟道GaN MOSFET技术具有重要的战略意义。当前我们的光伏逆变器和储能变流器主要采用n沟道功率器件，而该技术突破为实现GaN基互补金属氧化物半导体（CMOS）架构提供了关键的p沟道器件解决方案。
该技术的核心价值在于显著改善的器件性能参数。亚阈值摆幅从传统结构的225 mV/dec降至105 mV/dec，最低可达60 mV/dec，这意味着器件开关速度更快、开关损耗更低。10⁸量级的开关比和10⁻⁸ mA/mm的超低关态漏电流，对于提升我们逆变器系统的待机能耗和整体效率至关重要。特别是在大规模储能系统中，降低静态功耗可直接转化为显著的经济效益。
从应用前景看，GaN CMOS技术路线可能为我们的产品带来革命性提升。相比传统硅基器件，全GaN互补架构能实现更高的功率密度、更宽的工作温度范围和更快的开关频率，这对于实现更紧凑、高效的逆变器设计具有吸引力。同时，该技术在商用GaN晶圆上的成功验证也降低了产业化门槛。
然而，技术挑战不容忽视。目前10.5 mA/mm的导通电流密度相对n沟道器件仍然偏低，限制了大功率应用场景。此外，p沟道器件的可靠性验证、成本控制以及与现有n沟道GaN器件的工艺兼容性都需要深入评估。建议我们保持技术跟踪，在中长期研发规划中布局GaN CMOS技术储备，同时关注其在控制电路、辅助电源等中小功率模块的先期应用机会。