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具有独立源极通孔的硅衬底多栅指微波GaN HEMT
Multi-Gate Finger Microwave GaN HEMTs on Si Substrates With Individual Source Vias
| 作者 | Lu Hao · Zhihong Liu · Jin Zhou · Xiaoyan Li · Guangjie Gao · Hanghai Du |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12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 | GaN微波HEMTs 独立源通孔 寄生电容 器件性能 GaN-on-Si微波器件 |
语言:
中文摘要
在这篇快报中，我们在 6 英寸硅衬底上制造了多栅指氮化镓（GaN）微波高电子迁移率晶体管（HEMT），采用独立源通孔（ISV）实现源极焊盘的互连。与空气桥相比，独立源通孔技术表现出更低的寄生电容，并且有可能提高大规模制造的良品率。该器件采用 T 形栅，栅脚长度 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${L}_{\text {g}}$ </tex-math></inline-formula> 为 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$0.5~\mu $ </tex-math></inline-formula> 米，栅宽为 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${4}\times {100}~\mu $ </tex-math></inline-formula> 米，其最大漏极电流（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {dmax}}$ </tex-math></inline-formula>）达到 600 毫安/毫米，峰值跨导（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${g}_{\text {mmax}}$ </tex-math></inline-formula>）为 200 毫西门子/毫米，截止频率/最大振荡频率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${f}_{\text {T}}/ {f}_{\max }$ </tex-math></inline-formula>）为 19/27 吉赫兹。在脉冲宽度（PW）为 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$100~\mu $ </tex-math></inline-formula> 秒、脉冲周期为 10 毫秒、频率为 3.5 吉赫兹、漏极电压为 35 伏的条件下进行大信号负载牵引测量，结果显示饱和输出功率密度（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${P}_{\text {sat}}$ </tex-math></inline-formula>）为 4.8 瓦/毫米，峰值功率附加效率（PAE）为 73%。这些结果与采用空气桥互连源极焊盘的器件性能相近，证明了独立源通孔技术在大尺寸硅基氮化镓微波器件应用中具有巨大潜力。
English Abstract
In this letter, we fabricated multi-gate finger GaN microwave high electron mobility transistors (HEMTs) on a 6” silicon substrate with individual source vias (ISVs) for the interconnect of the source pads. Compared to the air bridges, the technology of ISVs shows lower parasitic capacitances, and potentially a higher volume fabrication yield. The device with a T-shape gate with a foot length L_ g of 0.5~ m and width of 4 100~ m shows a maximum drain current ( I_ dmax ) of 600 mA/mm, a peak transconductance ( g_ mmax ) of 200 mS/mm, and a cut-off frequency/a maximum oscillation frequency ( f_ T/ f_ ) of 19/27 GHz. Large-signal load-pull measurement at a frequency of PW ( 100~ s pulse width and 10 ms pulse period) 3.5 GHz and a drain voltage of 35 V showed a saturated output power density ( P_ sat ) of 4.8 W/mm, and a peak power-added efficiency (PAE) of 73%, respectively. These results are similar to the performance of the device with source pads interconnected by air bridges and demonstrate the great potential for the technology of ISVs in the application of large size-wafer GaN-on-Si microwave devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于硅基GaN HEMT器件的个体源极通孔（ISV）技术具有重要的战略价值。GaN功率器件是新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术，直接影响系统的功率密度、转换效率和可靠性。
该技术的核心创新在于用硅通孔替代传统空气桥结构实现源极互联，这为阳光电源带来三方面优势：首先，更低的寄生电容意味着器件开关速度更快、损耗更小，这对提升逆变器效率至关重要，尤其在高频化趋势下，可支持我们开发更紧凑的拓扑结构；其次，基于6英寸硅基底的工艺与现有半导体产业链高度兼容，相比SiC基底成本优势明显，ISV技术的高良率特性进一步降低了量产风险，符合我们大规模应用的需求；第三，器件在3.5 GHz频段展现的73%峰值效率和4.8 W/mm功率密度，虽然针对微波应用，但其高频特性可迁移至开关电源领域，支持我们推进逆变器向MHz级开关频率演进。
从技术成熟度评估，该研究已实现多栅指结构和完整的射频表征，但距离功率电子应用仍需验证：包括高压（600V-1200V）阻断能力、长期可靠性、以及从微波频段向电力电子频段的性能转化。关键挑战在于硅基底的热导率劣势可能限制大功率应用，需结合先进封装技术解决散热问题。
建议阳光电源密切跟踪该技术路线，评估其在车载充电机、高频光伏优化器等对成本敏感且功率适中的场景中的应用潜力，同时关注硅基GaN与我们现有SiC技术路线的互补性，形成差异化的产品矩阵。