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利用AlGaN背势垒中的二维空穴气实现GaN-on-Si HEMT衬底损耗抑制与射频性能提升
2DHG in AlGaN Back-Barrier for Substrate Loss Suppression and RF Performance Enhancement in GaN-on-Si HEMTs
| 作者 | Yeke Liu · Po-Yen Huang · Chun Chuang · Sih-Han Li · Haoran Wang · Tsung-Lin Lee |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年6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 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓硅基高电子迁移率晶体管 二维空穴气 射频衬底损耗 AlGaN背势垒 射频性能 |
语言:
中文摘要
对于射频应用的硅基氮化镓（GaN-on-Si）高电子迁移率晶体管（HEMT）而言，衬底损耗仍是一项关键挑战。在本研究中，我们通过实验验证了氮化镓/铝镓氮（GaN/AlGaN）背势垒（BB）界面处二维空穴气（2DHG）的形成，并首次证明了其在抑制射频衬底损耗方面的重要作用。我们提出了一种二维空穴气屏蔽模型，并通过技术计算机辅助设计（TCAD）仿真进行了验证。此外，我们引入了前偏置技术，可在工作偏置条件下直接观测二维空穴气。小信号建模和S参数测量显示，与无铝镓氮背势垒的器件相比，具有铝镓氮背势垒的器件显著降低了衬底寄生电容，使截止频率（$f_{\text {T}}$）和最高振荡频率（$f_{\max}$）分别提高了7 GHz和15 GHz。此外，大信号功率和线性度测量证实，功率增益、功率附加效率（PAE）和三阶截点（OIP3/IIP3）均有所提升，凸显了二维空穴气屏蔽机制在改善射频（RF）性能方面的有效性。
English Abstract
Substrate loss remains a critical challenge in GaN-on-Si high-electron-mobility transistors (HEMTs) for RF applications. In this work, we provide the experimental verification of two-dimensional hole gas (2DHG) formation at the GaN/AlGaN back-barrier (BB) interface and first demonstrate its essential role in suppressing RF substrate loss. A 2DHG shielding model is proposed and validated through TCAD simulations. In addition, a front-biasing technique is introduced, enabling direct observation of 2DHG under operating bias conditions. Small-signal modeling and S-parameter measurements reveal that the device with an AlGaN BB significantly reduces substrate parasitic capacitance, leading to improvements in f _ T and f _ , by 7 GHz and 15 GHz, respectively, compared to the device without an AlGaN BB. Furthermore, large-signal power and linearity measurements confirm enhanced power gain, power-added efficiency (PAE), and third-order intercept points (OIP3/IIP3), highlighting the effectiveness of the 2DHG shielding mechanism in improving radio frequency (RF) performance.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN-on-Si HEMT器件的2DHG背势垒技术具有重要的战略价值。该技术通过在GaN/AlGaN界面形成二维空穴气体来抑制衬底损耗，使器件的截止频率和最大振荡频率分别提升7 GHz和15 GHz，同时改善了功率增益、功率附加效率和线性度指标。
对于阳光电源的核心产品线，该技术的应用潜力主要体现在两个维度：首先，在光伏逆变器和储能变流器的功率开关器件方面，GaN器件的高频特性能够显著提升系统的功率密度和转换效率，降低磁性元件体积，这对实现逆变器的小型化和轻量化至关重要。其次，在无线充电、车载充电机等新兴业务中，该技术改善的射频性能和线性度指标可直接提升系统的电磁兼容性和能量传输效率。
从技术成熟度评估，该研究已完成TCAD仿真验证和实验测试，展现了清晰的物理机制和性能提升路径。GaN-on-Si技术路线与现有硅基工艺兼容性好，有利于降低制造成本，这与阳光电源追求高性价比解决方案的战略定位高度契合。
然而，技术挑战依然存在：GaN器件的长期可靠性、热管理方案、以及从射频应用向功率电子领域的工艺迁移需要深入验证。建议阳光电源与该技术团队建立合作关系，开展定制化器件开发，重点关注中高压功率器件的应用适配，同时评估该技术在储能双向变流器、高频隔离变压器等产品中的集成可行性，抢占下一代功率电子技术的制高点。