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具有高梯度阶梯式碳掺杂缓冲层的GaN-on-GaN HEMT实现15.1 W/mm功率密度
15.1 W/mm Power Density GaN-on-GaN HEMT With High-Gradient Stepped-C Doped Buffer
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1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 | 高梯度阶梯碳掺杂缓冲层 GaN-on-GaN HEMTs 射频性能 击穿电压 输出功率密度 |
语言:
中文摘要
在本研究中，我们首次提出了一种用于氮化镓（GaN）基氮化镓结构的高梯度（HG）阶梯式碳（阶梯式 - C）掺杂缓冲层设计，以提升器件的射频性能。该设计不仅避免了铁拖尾效应对二维电子气（2DEG）的影响，还能有效减轻再生长界面处硅杂质导致的界面传导损耗。最重要的是，HG 阶梯式 - C 缓冲层设计显著缓解了与高浓度碳相关的俘获效应。采用 HG 阶梯式 - C 缓冲层的 GaN 基氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）实现了 249 V 的击穿电压，319 mS/mm 的峰值跨导（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${g}_{\text {m}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>），且电流崩塌（CC）低至 6.1%。综合这些因素，GaN 基氮化镓 HEMT 的截止频率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${f}_{\text {T}}$ </tex-math></inline-formula>）/最高振荡频率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${f}_{\max }$ </tex-math></inline-formula>）达到 47.6 GHz/68.1 GHz，在 2 GHz 下实现了 15.1 W/mm 的先进输出功率密度（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${P}_{\text {out}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）和 57.2% 的功率附加效率（PAE）。这些结果表明，HG 阶梯式 - C 缓冲层在提升 GaN 基氮化镓 HEMT 的射频性能方面具有巨大潜力。
English Abstract
In this work, we propose for the first time a high-gradient (HG) stepped-Carbon (stepped-C) doped buffer design in GaN-on-GaN structures to enhance device RF performance. This design not only avoids the impact of the Fe tailing effect on the 2DEG but also effectively mitigates interface conduction losses caused by Si impurities at the regrown interface. Most importantly, the HG stepped-C buffer design significantly alleviates the trapping effects associated with high concentrations of C. The GaN-on-GaN HEMTs with HG stepped-C buffer achieved a breakdown voltage of 249 V, a peak transconductance ( g_ m ) of 319 mS/mm with a low current collapse (CC) of 6.1%. Collectively, these factors enabled the GaN-on-GaN HEMTs to achieve f_ T / f_ values of 47.6 GHz/68.1GHz, with a state-of-the-art output power density ( P_ out ) of 15.1 W/mm and a Power-Added efficiency (PAE) of 57.2% at 2 GHz. These results demonstrate the immense potential of HG stepped-C buffer in advancing the RF performance for GaN-on-GaN HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN-on-GaN HEMT技术展现出显著的战略价值。该技术通过创新的高梯度阶梯式碳掺杂缓冲层设计，实现了15.1 W/mm的业界领先功率密度和57.2%的功率附加效率，这些性能指标直接契合我们在光伏逆变器和储能变流器领域对高功率密度、高效率功率器件的核心需求。
对于阳光电源的产品线而言，该技术的应用潜力主要体现在三个维度：首先，249V的击穿电压和极低的6.1%电流崩塌特性，使其特别适用于我们的组串式逆变器和储能PCS系统，能够在提升功率密度的同时保持系统可靠性。其次，47.6/68.1 GHz的高频特性为开发更高开关频率的逆变器拓扑提供了可能，这将有助于减小磁性元件体积，提升系统集成度。第三，GaN-on-GaN同质外延结构相比传统GaN-on-Si方案具有更优的热管理特性，这对于我们在极端环境下的大功率应用场景至关重要。
然而，该技术目前仍处于实验室研发阶段，距离产业化应用尚存在挑战。GaN同质衬底的成本和供应链成熟度、大规模量产的良率控制、以及在实际逆变器工况下的长期可靠性验证，都是需要重点关注的问题。建议我们的技术团队与该研究方向保持跟踪，适时开展联合开发或技术验证，为下一代超高功率密度逆变器和储能系统的技术储备做好准备，巩固阳光电源在新能源功率电子领域的技术领先优势。