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采用BaTiO3和原位SiNx钝化的AlN/GaN HEMT器件实现电流色散抑制与击穿电压提升
Current dispersion suppression and breakdown voltage enhancement on AlN/GaN HEMTs with BaTiO3 and in-situ SiNx passivation
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1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 | AlN/GaN HEMT BaTiO₃ 电流色散 击穿电压 输出功率密度 |
语言:
中文摘要
本文报道了一种在栅极下方采用钛酸钡（BaTiO₃）和原位氮化硅（SiN）钝化层的氮化铝（AlN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），该晶体管可抑制电流色散，提高击穿电压和输出功率密度。栅长Lg = 113 nm的钛酸钡（BTO）AlN/GaN HEMT的最大电流密度为2.21 A/mm，最大跨导为0.27 S/mm。与仅采用氮化硅钝化的HEMT相比，BTO AlN/GaN HEMT的栅 - 漏击穿电压从35 V提高到了82 V。脉冲IV测量表明，钛酸钡钝化层显著降低了电流色散。在10 GHz下进行的大信号负载牵引测量显示，该晶体管的最大输出功率密度为14.1 W/mm，峰值功率附加效率（PAE）为62.4%。
English Abstract
AlN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) with BaTiO3 and in-situ SiN passivation layers under the gate are reported for suppressed current dispersion, enhanced breakdown voltage, and output power density. The BTO AlN/GaN HEMT with gate length Lg = 113 nm, exhibited a maximum current density of 2.21 A/mm, a maximum transconductance of 0.27 S/mm. The gate to drain breakdown voltage of BTO AlN/GaN HEMTs is improved from 35 V to 82 V in comparison with HEMTs with SiN passivation only. Pulsed IV measurements show that the BaTiO3 passivation layer significantly reduces the current dispersion. Large signal load-pull measurements at 10 GHz demonstrated a maximum output power density of 14.1 W/mm, with a peak power added efficiency (PAE) of 62.4 %.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项AlN/GaN HEMT技术突破具有重要的战略价值。该研究通过BaTiO3和原位SiNx双层钝化技术，将器件击穿电压从35V提升至82V，同时实现14.1 W/mm的功率密度和62.4%的功率附加效率，这些性能指标直接契合我们在高频、高效电力电子系统中的核心需求。
对于光伏逆变器业务，该技术可显著提升功率器件的开关频率和效率。更高的击穿电压意味着更大的安全裕度和更宽的工作电压范围，这对于1500V高压光伏系统尤为关键。电流色散的有效抑制能够改善器件动态特性，减少开关损耗，有助于我们实现99%以上的逆变效率目标。在储能变流器（PCS）应用中，该技术的高频特性（10 GHz验证）虽超出实际工作频率，但证明了器件在数百kHz开关频率下的可靠性潜力，可支持更紧凑的磁性元件设计和系统小型化。
然而，技术成熟度方面仍存在挑战。113nm栅长的工艺复杂度较高，BaTiO3材料的长期可靠性、温度稳定性以及与现有GaN工艺平台的兼容性需要深入验证。从成本角度看，相比传统Si IGBT和SiC MOSFET，该技术的规模化生产成本和良率控制是关键考量因素。
建议我们持续跟踪该技术路线，特别关注其在650V/1200V电压等级的应用潜力，评估与现有SiC技术方案的性能成本比，适时开展联合开发或战略布局，以保持在新一代电力电子技术领域的竞争优势。