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基于3纳米绝缘层的高性能MIM/p-GaN栅极HEMT
High-Performance MIM/p-GaN Gate HEMTs With a 3-nm Insulator for Power Conversion
| 作者 | Zhibo Cheng · Xiangdong Li · Jian Ji · Lu Yu · Tao Zhang · Hongyue Wang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | MIM/p-GaN gate HEMTs 正向偏置栅极击穿电压 MIM结构 捕获效应 功率转换应用 |
语言:
中文摘要
正向偏置栅极击穿电压 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {G- {BD}}}$ </tex-math></inline-formula> 较低的肖特基型 p - GaN 栅极高电子迁移率晶体管（HEMT）在开关过程中容易发生故障。在这项工作中，提出了一种在 p - GaN 层顶部具有 TiN/Al₂O₃/TiN（30/3/40 纳米）金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）结构的高性能 MIM/p - GaN 栅极 HEMT。与传统的肖特基型参考器件相比，MIM/p - GaN 栅极结构成功地将 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {G- {BD}}}$ </tex-math></inline-formula> 从 11.4 V 提高到 14.1 V，将最大适用栅极电压 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {G- {max}}}$ </tex-math></inline-formula> 从 5.1 V 提高到 7.0 V，对应于 1% 失效率下 10 年的使用寿命。得益于 3 纳米的超薄 Al₂O₃ 层和 MIM 结构，避免了俘获效应。所提出的器件在静态和动态特性方面均未出现明显退化。所开发的 MIM/p - GaN 栅极 HEMT 在未来的功率转换应用中展现出巨大的潜力。
English Abstract
Schottky-type p-GaN gate HEMTs with a low forward bias gate breakdown voltage V_ G- {BD} are vulnerable to failures during switching. In this work, high-performance MIM/p-GaN gate HEMTs with a TiN/Al2O3/TiN (30/3/40 nm) MIM structure on top of p-GaN layer are proposed. Compared to the conventional Schottky-type reference, the MIM/p-GaN gate structure successfully promotes the V_ G- {BD} from 11.4 to 14.1 V and the maximum applicable gate voltage V_ G- {max} from 5.1 to 7.0 V corresponding to a lifetime of 10 years at the failure of 1%. Benefiting from the 3-nm ultra-thin Al2O3 layer and the MIM structure, trapping effect is avoided. Neither significant degradation of static nor dynamic characteristics of the proposed devices are observed. The developed MIM/p-GaN gate HEMTs present great potentials for future power conversion applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项MIM/p-GaN栅极HEMT技术对我们的核心产品线具有重要战略价值。该技术通过在p-GaN层上集成超薄3nm Al2O3绝缘层的金属-绝缘体-金属结构，将栅极击穿电压从11.4V提升至14.1V，最大工作栅压从5.1V提升至7.0V，这直接解决了传统肖特基型p-GaN器件在开关过程中易失效的痛点。
对于我们的光伏逆变器和储能变流器产品，这项技术带来三方面关键优势：首先，更高的栅极电压裕度意味着器件在高频开关时的可靠性显著提升，这对于提高逆变器效率和降低故障率至关重要；其次，研究表明该结构有效避免了陷阱效应，静态和动态特性均无明显退化，这保证了器件在长期运行中的性能稳定性，符合我们产品10年以上寿命的要求；第三，GaN器件本身的高频、低损耗特性能够帮助我们进一步提升功率密度，实现逆变器和储能系统的小型化。
然而，该技术的应用也面临挑战。3nm超薄绝缘层的制造工艺控制要求极高，量产一致性和成本是关键考量因素。此外，MIM结构与现有封装工艺的兼容性、在实际工况下的长期可靠性验证都需要深入评估。建议我们的技术团队密切跟踪该技术的产业化进展，适时开展与GaN器件供应商的联合开发，在下一代高效率逆变器平台中进行前瞻性布局，以保持在功率变换技术领域的领先优势。