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通过近各向同性多晶金刚石顶面集成提升氮化镓超晶格堡状场效应晶体管
GaN Super-Lattice Castellated Field-Effect Transistors, SLCFETs）性能
| 作者 | Jeong-Kyu Kim · Mohamadali Malakoutian · Thomas Andres Rodriguez · Wiley Yu · Rohith Soman · Brian Novak |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年8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 | 氮化镓场效应晶体管 多晶金刚石 饱和电流 阈值电压 温度降低 |
语言:
中文摘要
我们展示了在氮化镓（GaN）超晶格城堡式场效应晶体管（SLCFET）顶部集成近各向同性多晶金刚石（PCD）作为散热片后其性能的提升。这种集成使得饱和电流增加了约 14%（最高达到约 2.63 A/mm），同时阈值电压出现负向漂移，而栅极泄漏电流和关态电流几乎保持不变。在 GaN 沟道中发现了拉伸应变，该应变通过增加二维电子气密度导致阈值电压负向漂移。集成 PCD 后，观察到温度显著降低（在 6 W/mm 功率下从约 78°C 降至约 47°C），从而使跨导增加（从 652 mS/mm 增至 684 mS/mm）。此外，观察到有无 PCD 的器件具有相当的脉冲 I-V 特性和小信号增益。
English Abstract
We present the performance enhancement of GaN super-lattice castellated field-effect transistors (SLCFETs) following the integration of near-isotropic polycrystalline diamond (PCD) on top as a heat spreader. This integration has led to an approximately 14% increase in saturation current (up to ~2.63 A/mm) alongside a negative threshold voltage shift, while gate leakage and off-state current still have remained nearly constant. A tensile strain, which causes a negative threshold voltage shift by increasing the 2-dimensional electron gas density, was identified in the GaN channel. A significant reduction in temperature (from ~78°C to ~47°C at 6 W/mm) was observed after PCD integration, resulting in an increase in transconductance (from 652 mS/mm to 684 mS/mm). Also, comparable pulsed IV characteristics and small-signal gains were observed in devices with and without PCD.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN超晶格沟槽场效应晶体管（SLCFET）集成多晶金刚石散热技术具有重要的战略价值。GaN功率器件是我们光伏逆变器和储能变流器的核心元件，直接影响系统的功率密度、效率和可靠性。
该技术通过顶部集成近各向同性多晶金刚石散热器，实现了显著的性能提升。饱和电流提升14%至2.63 A/mm，意味着在相同芯片面积下可实现更高功率输出，这对提升我们逆变器和储能系统的功率密度至关重要。更值得关注的是，在6 W/mm功率密度下，器件温度从78°C降至47°C，降幅达40%，这将显著改善我们产品在高温环境下的工作可靠性，特别是在中东、澳洲等高温地区的光伏电站应用场景。跨导提升至684 mS/mm也意味着更快的开关速度和更低的开关损耗，可进一步提升系统效率。
从技术成熟度评估，该技术已展现出良好的电学特性稳定性（栅极漏电流和关态电流保持恒定），但多晶金刚石的制备成本、与现有GaN工艺的兼容性以及大规模量产的良率控制仍是关键挑战。对阳光电源而言，可优先考虑在高端储能变流器和大功率集中式逆变器等对性能要求严苛的产品线进行技术验证。建议与GaN器件供应商建立联合开发机制，推动该技术在新能源功率电子领域的应用落地，以巩固我们在高功率密度、高可靠性产品方面的技术领先优势。