基于体AlN衬底的PECVD SiN钝化硅δ掺杂AlN/GaN/AlN赝配高电子迁移率晶体管在10 GHz下实现4.22 W/mm

4.2 W/mm at 10 GHz in Silicon Delta-Doped AlN/GaN/AlN Pseudomorphic HEMTs With PECVD SiN Passivation

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.11115098

作者	Eungkyun Kim · Yu-Hsin Chen · Keisuke Shinohara · Thai-Son Nguyen · Jimy Encomendero · Debdeep Jena
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年8月
技术分类	功率器件技术
技术标签	GaN器件
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	AlN/GaN/AlN pHEMTs δ - 掺杂电子迁移率二维电子气密度直流和射频特性

语言:

中文摘要

我们展示了在块状 AlN 衬底上制备的 AlN/GaN/AlN 赝配高电子迁移率晶体管（pHEMT），该晶体管在 20 纳米 GaN 沟道底部附近采用了硅 $\delta$ 掺杂。我们近期关于外延生长和低场输运的研究表明，与未掺杂的同类结构相比，在赝配 AlN/GaN/AlN 异质结构中进行 $\delta$ 掺杂可提高电子迁移率和二维电子气密度，同时保留了薄 GaN 沟道的优势。在这项工作中，我们展示了采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiN 钝化的这些 pHEMT 的直流和射频特性，其 ${f}_{\text {T}} \cdot {L}_{\text {G}}$ 乘积平均为 12.5 GHz$\cdot \mu$m，在 10 GHz 时典型输出功率密度为 4.2 W/mm，相关功率附加效率为 41.5%。

English Abstract

We demonstrate AlN/GaN/AlN pseudomorphic high electron mobility transistors (pHEMTs) on bulk AlN substrates with silicon -doping near the bottom of the 20-nm GaN channel. Our recent studies on epitaxy and low-field transport show that -doping in pseudomorphic AlN/GaN/AlN heterostructures increases electron mobility and two-dimensional electron gas density while preserving the advantages of the thin GaN channel, compared to undoped counterparts. In this work, we present DC and RF characteristics of these pHEMTs with PECVD SiN passivation, exhibiting an average f_ T L_ G product of 12.5 GHz m, a representative output power density of 4.2 W/mm with an associated power-added efficiency of 41.5% at 10 GHz.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项基于AlN衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）技术展现出显著的功率器件性能提升潜力。该研究通过硅δ掺杂技术在20纳米GaN沟道中实现了4.2 W/mm的功率密度和41.5%的功率附加效率，这对我们在光伏逆变器和储能变流器等核心产品的功率转换效率提升具有重要参考价值。

技术层面，该器件在10 GHz频率下的优异表现表明其在高频开关应用中的潜力。对于阳光电源的1500V高压光伏系统和储能PCS产品，若能将类似的GaN功率器件技术应用于中低频段（数百kHz至MHz级），有望实现更高的开关频率、更小的无源器件体积以及更高的系统功率密度。特别是δ掺杂技术带来的电子迁移率提升和二维电子气浓度增加，可直接转化为更低的导通电阻和开关损耗。

然而，该技术目前仍处于实验室研发阶段，面临若干工程化挑战。首先，AlN衬底的成本远高于传统硅基或碳化硅衬底，批量生产的经济性需要评估。其次，从射频器件向电力电子器件的技术迁移需要重新优化击穿电压、热管理等关键参数。对于阳光电源而言，短期内可持续关注GaN-on-Si和GaN-on-SiC技术的成熟应用，中长期则应跟踪AlN基器件在超高频率、极端环境应用场景的发展，为下一代高功率密度逆变器和车载充电系统储备技术路线。该技术路径若能突破成本瓶颈，将为新能源装备的小型化、轻量化提供重要支撑。