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基于6英寸Si衬底的高RF性能AlGaN/GaN HEMT用于低压应用
High RF Performance AlGaN/GaN HEMTs on 6-in Si Substrate for Low Voltage Applications
| 作者 | Yuxi Zhou · Jiejie Zhu · Bowen Zhang · Qiyu Wang · Lingjie Qin · Lubing Wei |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年2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 | AlGaN/GaN HEMTs Si衬底 欧姆接触电阻 输出功率密度 功率附加效率 |
语言:
中文摘要
本文展示了用于低压应用的、基于6英寸硅衬底且具有出色射频性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。采用金属有机化学气相沉积法再生长n⁺ - InGaN欧姆接触,整片晶圆上的欧姆接触电阻平均值达到<0.08 Ω·mm。该器件栅长为220 nm,源漏间距为2.2 μm,饱和电流高达1689 mA/mm,峰值跨导为436 mS/mm。将晶圆减薄至100 μm后,对栅宽(Wg)为2×100 μm的HEMT在3.6 GHz下进行负载牵引测量,结果表明,在5 - 15 V的低漏极电压(Vd)下,该器件的最大输出功率密度(Pout,max)为0.86 - 4.35 W/mm,峰值功率附加效率(PAE)为63.96% - 66.23%,这是在6 GHz以下相同工作电压水平下AlGaN/GaN HEMT所实现的最高输出功率密度和功率附加效率。此外,栅宽(Wg)为8×125 μm的HEMT在Vd = 5/6 V时,也表现出60.4%/61.19%的高功率附加效率和0.56/0.75 W/mm的最大输出功率密度。这些基于硅的AlGaN/GaN HEMT的优异性能表明,它们适用于特定的射频应用场景,包括便携式通信设备、无线传感器网络等。
English Abstract
In this letter, AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) on a 6-inch Si substrate with excellent RF performance are presented for low voltage applications. Using regrown n+-InGaN ohmic contacts by metal-organic chemical vapor deposition, the ohmic contact resistance achieves an average value of 0.08~ mm on the whole wafer. With a gate length of 220 nm and a source-drain spacing of 2.2~ m, the device exhibits a saturation current of up to 1689 mA/mm and a peak transconductance of 436 mS/mm. Once the wafer was thinned to 100~ m, 3.6 GHz load-pull measurements for the HEMT with gate width ( W_ g ) of 2 100~ m at low drain voltages ( V_ d ) of 5-15 V indicate that the device exhibits maximum output power densities ( P_ {out, {max}} ) of 0.86-4.35 W/mm and peak power added efficiencies (PAE) of 63.96%-66.23%, which are the highest output power density and PAE from AlGaN/GaN HEMTs at the same operating voltage level in sub-6GHz. Furthermore, the HEMT with W_ g of 8 125~ m also shows high PAE of 60.4%/61.19% and P_ {out, {max}} of 0.56/0.75 W/mm at V_ d =5 /6 V. The excellent properties of these AlGaN/GaN HEMTs on Si illustrate their suitability for addressing specific RF application scenarios, including portable communication devices, wireless sensor networks and so on.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文展示的基于6英寸硅基底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)技术具有重要的战略参考价值,但其应用方向与我司核心产品存在显著差异。
该技术的核心优势在于低电压(5-15V)下的射频性能优化,在3.6GHz频段实现了业界领先的功率密度(最高4.35W/mm)和功率附加效率(PAE达66.23%),主要面向便携式通信设备和无线传感网络等射频应用场景。然而,阳光电源的光伏逆变器和储能系统主要工作在中高压、大功率的功率转换领域,典型工作电压范围为数百伏至千伏级,工作频率集中在数十kHz至数百kHz的开关频率范围,与该技术的GHz级射频特性和低压应用定位存在本质差异。
从技术借鉴角度,该研究采用的MOCVD重生长n+-InGaN欧姆接触技术实现了0.08Ω·mm的超低接触电阻,这种降低导通损耗的思路对我司功率器件的性能优化具有启发意义。此外,6英寸硅基底的成熟工艺路线也验证了GaN-on-Si技术的成本可控性和量产可行性,这与我司在功率电子领域推动GaN器件应用的战略方向相契合。
建议我司持续关注GaN功率器件在高压、大电流、中低频开关应用方向的技术演进,特别是针对逆变器和储能变流器优化的650V/1200V级GaN HEMT技术。该论文展示的硅基GaN工艺成熟度为未来功率器件的成本下降提供了积极信号,但射频优化路线与功率转换需求的技术鸿沟仍需跨越。