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通过具有BN插入层的范德华外延GaN实现高开/关电流比AlGaN/GaN HEMT
High-On/Off-Current-Ratio AlGaN/GaN HEMTs via Van Der Waals Epitaxy GaN With a BN Inset Layer
| 作者 | Haoran Zhang · Jing Ning · Shiyu Li · Xue Shen · Yaning Zhang · Ziyan Wan |
| 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 | 氮化物异质外延 氮化硼 MIS - HEMT 栅极泄漏 功率电子应用 |
语言:
中文摘要
在氮化物异质外延中,晶格失配和热应力不可避免地会导致位错增殖和缺陷形成,从而严重降低器件的可靠性。在本文中,我们展示了通过范德瓦尔斯外延在二维高质量氮化硼(h - BN)材料上实现氮化物异质结结构的高质量外延生长。此外,利用氮化硼的超宽带隙特性,其在制备的金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管(MIS - HEMT)中还可作为栅极电介质。缓冲层辅助异质结构与超宽带隙氮化硼电介质的综合优势使栅极泄漏电流降低了<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$10^{{3}}$ </tex-math></inline-formula>倍。此外,所提出的器件展现出<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$10~^{\mathbf {{11}}}$ </tex-math></inline-formula>的开/关电流比,最大饱和输出电流密度为1550 mA/mm,跨导提高了30%。这表明所提出的器件在未来电力电子应用中具有巨大潜力。
English Abstract
In nitride heteroepitaxy, lattice mismatch and thermal stress inevitably induce dislocation proliferation and defect formation, which critically degrade device reliability. In this letter, we demonstrate the high-quality epitaxial growth of nitride heterojunction structures on two-dimensional high-quality boron nitride (h-BN) materials via van der Waals epitaxy. Furthermore, BN also functions as a gate dielectric in the fabricated metal-insulator-semiconductor HEMT (MIS-HEMT), leveraging its ultrawide bandgap properties. The combined advantages of Buffer-assisted heterostructures and ultrawide-bandgap BN dielectric enabling a 10^3 -fold gate leakage reduction. Additionally, the proposed device exhibits an on/off current ratio of 10~^ {11} , with a maximum saturated output current density of 1550 mA/mm and 30% increase in transconductance. This shows the great potential of the proposed device for future power-electronics applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源功率器件应用角度来看,这项基于范德华外延和BN插入层的AlGaN/GaN HEMT技术展现出显著的战略价值。该技术通过二维六方氮化硼(h-BN)作为缓冲层和栅介质,有效解决了传统氮化物异质外延中晶格失配和热应力导致的位错增殖问题,这直接关系到我司光伏逆变器和储能变流器中功率器件的长期可靠性。
技术核心优势体现在三个维度:首先,10^11的开关电流比意味着器件在关断状态下漏电流极低,可显著降低逆变器待机损耗,这对于大型地面电站和工商业储能系统的整体效率提升具有实质意义。其次,栅极漏电流降低1000倍配合1550 mA/mm的高饱和电流密度,使得单管功率密度大幅提升,有助于实现更紧凑的功率模块设计,契合我司高功率密度逆变器的发展方向。第三,30%的跨导提升意味着更快的开关速度和更低的开关损耗,可推动逆变器向更高开关频率发展,减小磁性元件体积。
然而技术成熟度方面仍存在挑战。范德华外延工艺的产业化制造成本、大尺寸晶圆的均匀性控制、以及BN材料与现有封装工艺的兼容性都需要验证。建议我司技术团队关注该技术路线,可考虑与相关研究机构建立联合开发,重点评估其在1200V/1700V等级功率器件中的应用潜力,为下一代高效率、高可靠性的光储变流器产品储备核心技术。这项技术若能成功产业化,将为阳光电源在高端功率半导体领域建立差异化竞争优势。