基于异质衬底的AlN/GaN/AlN高电子迁移率晶体管的热特性表征与设计

Thermal Characterization and Design of AlN/GaN/AlN HEMTs on Foreign Substrates

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.10915643

作者
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年1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	AlN/GaN/AlN HEMTs 自热行为热设计优化缓冲层厚度金刚石衬底

语言:

中文摘要

与传统的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）相比，AlN/GaN/AlN高电子迁移率晶体管具有更强的载流子限制能力和更高的击穿电压。在本研究中，采用拉曼测温法对6H - SiC衬底上的单指AlN/GaN/AlN HEMT的自热行为进行了表征。建立了一个三维有限元分析模型，以优化该器件结构的热设计。仿真结果表明，为使6H - SiC和金刚石衬底上的AlN/GaN/AlN HEMT的沟道温升最小化，最佳缓冲层厚度分别约为2μm和0.7μm。此外，集成金刚石衬底可进一步提升热性能，与6H - SiC衬底上的AlN/GaN/AlN HEMT和4H - SiC衬底上的AlGaN/GaN HEMT相比，器件热阻分别降低了约45%和约53%。

English Abstract

AlN/GaN/AlN high electron mobility transistors (HEMTs) offer enhanced carrier confinement and higher breakdown voltage than conventional AlGaN/GaN HEMTs. In this work, Raman thermometry was used to characterize the self-heating behavior of a single-finger AlN/GaN/AlN HEMT on 6H-SiC. A 3D finite element analysis model was created to optimize the thermal design of the device structure. Simulation results reveal that the optimal buffer layer thicknesses to minimize the channel temperature rise of AlN/GaN/AlN HEMTs on 6H-SiC and diamond substrates are 2~ m and 0.7~ m, respectively. Moreover, diamond substrate integration further enhances the thermal performance, achieving a ~45% and ~53% reduction in the device thermal resistance as compared to those of an AlN/GaN/AlN HEMT on 6H-SiC and an AlGaN/GaN HEMT on 4H-SiC, respectively.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项AlN/GaN/AlN HEMT技术研究对我们的核心产品具有重要战略意义。作为功率半导体器件的前沿技术，该研究通过优化热设计显著提升了器件的散热性能和可靠性，这直接关系到光伏逆变器和储能变流器等产品的功率密度和转换效率提升。

该技术的核心价值体现在三个方面：首先，AlN/GaN/AlN结构相比传统AlGaN/GaN器件具有更好的载流子约束能力和更高击穿电压，这意味着我们的逆变器产品可以在更高电压等级下工作，提升系统效率并降低损耗。其次，研究通过拉曼测温和有限元仿真优化了缓冲层厚度设计，在SiC衬底上达到2微米、金刚石衬底上达到0.7微米的最优配置，为我们的器件热管理设计提供了明确的工程指导。第三，金刚石衬底方案相比SiC衬底热阻降低45%，相比传统AlGaN/GaN器件降低53%，这将显著改善大功率应用场景下的热管理挑战。

从应用前景看，该技术对阳光电源1500V及以上高压光伏系统、大容量储能PCS以及电动汽车充电桩等高功率密度产品具有直接应用价值。然而，我们也需关注金刚石衬底的成本和量产成熟度问题，以及AlN外延层的工艺稳定性。建议我们与上游半导体供应商建立合作，跟踪该技术的产业化进程，适时在下一代功率模块中进行技术储备和验证，以保持在新能源电力电子领域的技术领先优势。