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高温AlGaN/GaN MISHEMT器件采用W/AlON栅堆栈在500°C下实现Imax>1 A/mm
High Temperature AlGaN/GaN MISHEMT With W/AlON Gate Stack and Imax>1 A/mm at 500 ∘C
| 作者 | John Niroula · Qingyun Xie · Elham Rafie Borujeny · Shisong Luo · Minsik Oh · Matthew A. Taylor |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年7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 | RF AlGaN/GaN MISHEMT 高温 电流密度 AlON T 型栅工艺 |
语言:
中文摘要
本研究展示了一款按比例缩小（栅长 \(L_{\text {g}} = 50\) 纳米、栅源间距 \(L_{\text {gs}} = 270\) 纳米、栅漏间距 \(L_{\text {gd}} = 360\) 纳米）的射频（RF）AlGaN/GaN 金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶体管（MISHEMT），该晶体管在 500°C 时的电流密度达到创纪录的 1.16 安/毫米，对应的开态电流与关态电流比（\(I_{\text{on}}/I_{\text{off}}\)）为 9。该器件采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）的氮氧化铝（AlON）作为栅极电介质和钝化层，经发现这可使二维电子气密度提高 33%。器件制造采用了溅射钨难熔金属 T 形栅工艺，在室温下实现了 28.5/28.8 吉赫兹的截止频率（\(f_{\text{t}}\)）/最高振荡频率（\(f_{\text{max}}\)），不过这一性能受限于通过导电硅衬底产生的射频损耗。总体而言，这些令人鼓舞的结果凸显了射频 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）在高温下工作的潜力，有望催生新的应用。
English Abstract
This work demonstrates a scaled (L _ g=50 nm, L _ gs=270 nm, L _ gd=360 nm) RF AlGaN/GaN MISHEMT with a record current density of 1.16 A/mm at 500°C and a corresponding Ion/Ioff of 9. The device was made using a plasma enhanced atomic layer deposited (PEALD) aluminum oxynitride (AlON) gate dielectric and passivation which was found to increase the 2D electron gas density by 33%. The devices were fabricated utilizing a sputtered tungsten refractory metal T-gate process and achieved a room temperature ft/fmax of 28.5/28.8 GHz, limited by RF loss through the conductive silicon substrate. Overall, the promising results highlight the potential of RF GaN HEMTs to operate at high temperatures to enable new applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项高温GaN MISHEMT技术具有重要的战略价值。该研究实现了500°C环境下1.16 A/mm的创纪录电流密度，这对我们在光伏逆变器和储能系统中广泛应用的功率半导体技术升级具有显著意义。
在光伏逆变器领域，高温工作能力直接关系到系统可靠性和成本优化。当前我们的产品在沙漠、热带等高温环境下需要复杂的散热系统，该技术若能实现商业化，可显著简化热管理设计，降低系统体积和成本。特别是AlON介质层使二维电子气密度提升33%，意味着更高的功率密度和开关效率，这对提升逆变器转换效率至关重要。28.5/28.8 GHz的射频性能也为高频开关应用提供了可能，有助于进一步缩小磁性元件尺寸。
在储能变流器应用中，高温稳定性（500°C下仍保持9倍的开关比）可提升系统在极端工况下的可靠性，延长设备寿命，这对大型储能电站的全生命周期成本控制极为关键。
然而，技术成熟度仍需审慎评估。该研究采用的50nm栅极和钨基T型栅工艺属于先进制程，量产成本和良率是关键挑战。此外，硅衬底的射频损耗限制表明，实际应用中需要优化衬底材料选择。建议我们的技术团队持续跟踪该技术路线，评估与现有SiC/GaN方案的竞争力，并考虑在下一代高温、高功率密度产品中进行预研布局，特别是针对电动汽车充电桩和氢能系统等新兴业务场景。