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储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

通过应力调控提升迁移率的氮极性GaN/AlGaN异质结构

Mobility-Enhanced Nitrogen-Polar GaN/AlGaN Heterostructure by Stress Modulation

作者 Haotian Ma · Gaoqiang Deng · Shixu Yang · Yusen Wang · Jingkai Zhao · Changcai Zuo
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年8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 氮极性GaN/AlGaN异质结构 二维电子气迁移率 应力状态 AlN插入层 高电子迁移率晶体管
语言:

中文摘要

氮极性(N 极性)GaN/AlGaN 异质结构在高频毫米波高电子迁移率晶体管(HEMT)的制造方面具有巨大潜力。然而,制备具有高二维电子气(2DEG)迁移率的 N 极性 GaN/AlGaN 异质结构仍然具有挑战性。在这项工作中,我们证明了外延异质结构的应力状态对调制 2DEG 迁移率起着关键作用。通过将高电阻 N 极性 GaN 模板的应力状态从拉伸应力转变为弱压缩应力,我们观察到室温下 2DEG 迁移率从 820 cm²/V·s 显著提高到 1420 cm²/V·s。重要的是,通过理论计算,我们阐明了应力状态影响 2DEG 迁移率的机制。此外,我们通过在 GaN/AlGaN 界面引入一层薄的 AlN 夹层,进一步将 2DEG 迁移率提高到 1730 cm²/V·s。这是在碳化硅(SiC)衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的 N 极性 GaN/AlGaN 异质结构所报道的高迁移率值。这项工作有望推动基于 N 极性 GaN/AlGaN 的高频、高输出功率 HEMT 的发展。

English Abstract

Nitrogen-polar (N-polar) GaN/AlGaN heterostructures hold tremendous promise for the fabrication of high-frequency millimeter-wave high electron mobility transistors (HEMTs). However, the preparation of N-polar GaN/AlGaN heterostructures with high two-dimensional electron gas (2DEG) mobility remains challenging. In this work, we demonstrate that the stress state of the epitaxial heterostructures plays a critical role in modulating the 2DEG mobility. By engineering the stress state of the high-resistance N-polar GaN template from tensile stress to weak compressive stress, we observe a remarkable enhancement in room-temperature 2DEG mobility from 820 to 1420 cm2/V s. Importantly, through theoretical calculations, we elucidate the mechanism by which the stress state affects the 2DEG mobility. Moreover, we further boost the 2DEG mobility to 1730 cm2/V s by introducing a thin AlN interlayer at the GaN/AlGaN interface. This is a high mobility value reported for MOCVD-grown N-polar GaN/AlGaN heterostructures on SiC substrates. This work could promote the development of N-polar GaN/AlGaN based HEMTs with high frequency and high output power.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项氮极性GaN/AlGaN异质结构的应用研究具有重要的战略价值。该技术通过应力调控将二维电子气迁移率提升至1730 cm²/V·s,为高频毫米波HEMT器件的性能突破奠定了基础,这与我们在光伏逆变器和储能系统中对高效功率转换的核心需求高度契合。

在光伏逆变器领域,高迁移率GaN基HEMT器件可显著提升开关频率和功率密度。相比传统硅基器件,该技术有望将逆变器的开关频率推向兆赫兹级别,从而缩小磁性元件体积,提高系统功率密度30%以上,这对于我们追求的高效率、轻量化逆变器产品具有直接价值。特别是在大功率集中式逆变器和储能变流器(PCS)中,GaN器件的低导通电阻和快速开关特性能够降低系统损耗,提升整体转换效率至99%以上。

然而,该技术目前仍处于材料研发阶段,距离商业化应用尚有距离。主要挑战包括:MOCVD外延工艺的成本控制、器件制造良率的提升、以及长期可靠性验证。从SiC衬底到器件封装的完整产业链成熟度也需要进一步观察。

对阳光电源而言,建议采取"技术跟踪+战略合作"的策略。短期内可与相关科研机构建立联合实验室,探索GaN器件在新能源装备中的应用场景;中长期则需评估垂直整合或战略投资的可能性。随着碳化硅和氮化镓功率器件技术的成熟,这将成为我们保持技术领先、实现产品差异化的关键突破口,特别是在高端工商业储能和电动汽车充电桩等高附加值市场。