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增强型N极性深凹槽GaN高电子迁移率晶体管实现创纪录的小信号性能
Enhancement Mode N-Polar Deep Recess GaN HEMT With Record Small Signal Performance
| 作者 | Oguz Odabasi · Md. Irfan Khan · Xin Zhai · Harsh Rana · Elaheh Ahmadi |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年7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 | N极氮化镓高电子迁移率晶体管 增强模式 栅极电介质 截止频率 输出功率 |
语言:
中文摘要
在本信函中，我们报道了一种新型增强型 N 极性深凹槽（NPDR）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）。通过结合原子层蚀刻（ALE）和湿法蚀刻进行凹槽蚀刻实现了增强型模式操作。采用了具有高介电常数和高击穿场的 HfSiO 栅极电介质。通过等离子体辅助分子束外延（PAMBE）在低位错密度的轴向 N 极性 GaN 衬底上生长了外延结构。结果，在栅长（LG）为 75 nm 的情况下，实现了真正的常关操作，阈值电压为 +0.8 V，峰值饱和漏极电流为 1.5 A/mm，跨导为 0.55 S/mm。测得截止频率（fT）为 122 GHz，这使得增强型 AlGaN/GaN HEMT 的 fT*LG 达到了创纪录的 9.1 GHz·μm。负载牵引测量表明，在 10 GHz 时输出功率为 2.7 W/mm，功率附加效率为 46%。
English Abstract
In this letter, we report a novel enhancement mode N-polar Deep Recess (NPDR) Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistor (HEMT). Enhancement mode operation was achieved by recess etching with a combination of atomic layer etching (ALE) and wet etching. A high-k and high breakdown field HfSiO gate dielectric was employed. The epi-structure was grown on a low dislocation density on-axis N-polar GaN substrate by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). As a result, true normally-off operation with +0.8V threshold voltage, 1.5 A/mm peak saturation drain current, and 0.55 S/mm transconductance was achieved with 75 nm gate length (LG). A cutoff frequency (fT) of 122 GHz was measured, which resulted in a record fT*LG of 9.1 GHz m for E-mode AlGaN/GaN HEMTs. Load pull measurements demonstrated an output power of 2.7 W/mm and a power-added efficiency of 46% at 10 GHz.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项增强型N极深槽GaN HEMT技术具有重要的战略价值。该技术实现了真正的常关断（E-mode）特性，阈值电压达+0.8V，这对光伏逆变器和储能变流器的安全性和可靠性至关重要。相比传统常开型器件，增强型器件在系统失效时自动断开，可显著降低光伏和储能系统的安全风险。
该器件展现的优异高频性能（截止频率122 GHz，创纪录的fT*LG值9.1 GHz·μm）和功率性能（10 GHz下输出功率2.7 W/mm，功率附加效率46%）表明其在高频开关应用中的巨大潜力。对于阳光电源正在推进的高功率密度逆变器和储能PCS产品，采用此类高频GaN器件可实现更高的开关频率，从而缩小磁性元件体积，提升系统功率密度和效率，这与我们1500V大功率逆变器和液冷储能系统的技术路线高度契合。
技术成熟度方面，该研究采用了原子层刻蚀（ALE）、等离子体辅助分子束外延（PAMBE）等先进工艺，并使用低位错密度N极GaN衬底和高k介质HfSiO，工艺复杂度较高。目前仍处于实验室研发阶段，距离大规模商业化应用尚需时日。主要挑战包括制造成本控制、良率提升以及在中低频（数十kHz至数百kHz）电力电子应用中的性能验证。
建议阳光电源持续跟踪此类增强型GaN技术发展，特别关注其在600V-1500V电压等级的应用潜力，适时开展器件级评估和系统级验证，为下一代超高功率密度新能源装备储备核心技术。