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AlGaN背势垒对射频HEMT器件热阻的影响
Impact of AlGaN Back Barrier on the Thermal Resistance of RF HEMTs
| 作者 | L. R. Norman · Z. Abdallah · J. W. Pomeroy · G. Drandova · J. Jimenez · A. Xie |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年5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 | AlGaN缓冲层 高频GaN HEMT 热导率 热阻 电热权衡 |
语言:
中文摘要
采用低铝组分的 AlGaN 缓冲层可减轻高频 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中的短沟道效应。然而，在改善载流子限制和增加 AlGaN 缓冲层热阻之间存在权衡。本研究探讨了 AlGaN 背势垒层热导率对射频 HEMT 整体热阻的影响。采用纳秒时域热反射法测量了铝组分 x 在 0.01 至 0.06 范围内的 GaN 和 AlₓGa₁₋ₓN 的热导率。室温下，当 x 分别为 0.01 和 0.06 时，热导率从 39 W/（m·K）降至 19 W/（m·K），这远低于所测得的 GaN 的 145 W/（m·K）。值得注意的是，卡拉韦模型低估了低铝组分范围内 AlGaN 热导率的降低幅度。利用显微拉曼热成像法测定的晶体管沟道温度与使用所测热导率进行的三维有限元热模拟结果一致。将缓冲层从 GaN 换成 Al₀.₀₁Ga₀.₉₉N 会使整体热阻增加 46%。将铝组分增加到 x = 0.06 时，与 x = 0.01 相比，热阻进一步增加 35%。这一结果凸显了在调节低铝组分以优化电学性能的同时，考虑电热权衡的重要性，这样才能在最大程度上减小对晶体管热阻的影响。
English Abstract
Incorporation of low aluminum composition AlGaN buffer layers mitigates short channel effects in high-frequency GaN HEMTs. However, there is a trade-off between improved carrier confinement and increased thermal resistance of the AlGaN buffer. This work investigates the impact of the thermal conductivity of AlGaN back barriers on the overall thermal resistance of RF HEMTs. Nanosecond time-domain thermoreflectance is used to measure the thermal conductivity of GaN and AlxGa _ 1-{x} N in the range of x =0.01 to 0.06. The room temperature thermal conductivity decreased from 39 W/m K to 19 W/m K for x =0.01 and 0.06 respectively, which is considerably lower than the 145 W/m K measured for GaN. Notably, the Callaway model underpredicts the AlGaN thermal conductivity reduction in the low Al composition range. Transistor channel temperatures determined using micro-Raman thermography were consistent with 3-D finite element thermal simulation using the measured thermal conductivities. Changing from a GaN buffer to Al _0.{01} Ga _0.{99} N gives rise to a 46% increase in the overall thermal resistance. Increasing Al composition to x =0.06 increased thermal resistance by a further 35% beyond that of x =0.01. This result highlights the importance of considering the electrothermal trade-off when tuning Al composition in the lower range to optimize electrical performance, while minimizing the impact on the transistor thermal resistance.
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SunView 深度解读
从阳光电源功率电子技术应用视角来看，这项关于GaN HEMT器件热阻特性的研究具有重要参考价值。GaN高电子迁移率晶体管是新一代光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件，其高频特性和功率密度优势正推动我司产品向更高效率、更小体积方向发展。
该研究揭示了AlGaN背势垒层设计中的关键电热权衡问题。数据显示，即使铝组分从1%增加到6%这一较低范围内，热导率也从39 W/m·K急剧下降至19 W/m·K，远低于GaN的145 W/m·K。更值得关注的是，1%铝组分的AlGaN缓冲层就能使整体热阻增加46%，这对我司高功率密度逆变器的散热设计构成实质性挑战。在储能双向变流器等需要长时间高负载运行的应用场景中，热阻增加将直接影响器件可靠性和系统寿命。
这项研究为我司器件选型和系统设计提供了量化依据。在开发1500V高压光伏系统或大功率储能PCS时，需要与器件供应商协同优化AlGaN背势垒层设计，在抑制短沟道效应和控制热阻之间寻找最佳平衡点。研究中采用的纳秒时域热反射测量和微拉曼温度表征技术，也为我司建立功率模块热管理评估能力提供了方法论参考。
技术挑战在于如何在保证高频开关性能的前提下，通过优化散热结构设计、采用先进封装技术（如双面冷却）来补偿AlGaN层带来的热阻增加。这要求我们在下一代产品开发中更早介入器件级热仿真，将电热协同设计前置到架构设计阶段，确保GaN技术优势在系统层面得到充分发挥。