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基于p型NiO/SiO2结三栅结构的2.7 kV E型多通道GaN-on-Si器件
2.7 kV E-Mode Multichannel GaN-on-Si Based on p-Type NiO/SiO2 Junction Tri-Gate
| 作者 | Amirhossein Esteghamat · Zheng Hao · Mohammad Rezaei · Walid El Huni · Huseyin Cakmak · Gilberto Curatola |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年6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 | E-mode多通道HEMT p型NiO/SiO₂ 结三栅结构 阈值电压 导通电阻 |
语言:
中文摘要
在这项工作中，基于 p 型 NiO/SiO₂ 作为栅堆叠结构，展示了一种增强型（E 模式）多通道高电子迁移率晶体管（HEMT），以形成结型三栅结构。NiO 提供了高空穴浓度（≈10¹⁹ cm⁻³），导致栅极下方多个二维电子气（2DEG）通道中的电子被有效耗尽。一层薄的 SiO₂ 层充当牺牲层，防止在沉积 NiO 过程中鳍片受损。因此，与仅使用 SiO₂ 相比，使用尺寸大 3 倍的三栅鳍片可实现 E 模式操作，阈值电压（Vₜₕ）为 0.7 V（在 1 μA/mm 时），阈值电压迟滞可忽略不计（ΔVₜₕ 为 0.05 V），并且在栅 - 漏间距（L_GD）为 20 μm 时，导通电阻（R_ON）低至 2.8 mΩ·cm²。此外，该器件表现出卓越的关态特性，包括 2.7 kV 的击穿电压（V_br）和 10⁹ 的开/关电流比，展示了 p - NiO/SiO₂ 栅堆叠结构在高性能 E 模式功率器件方面的潜力。
English Abstract
In this work, an E-mode multichannel HEMT is demonstrated based on p-type NiO/SiO2 as a gate stack to form a junction tri-gate structure. NiO provides a high hole concentration ( ~10^19 cm ^-3 ), resulting in an effective depletion of electrons in the multiple 2DEG channels under the gate. A thin SiO2 layer acts as a sacrificial layer, preventing damage to the fins during NiO deposition. As a result, E-mode operation can be achieved with 3x-larger tri-gate fins, compared to SiO2 alone, with V_ th of 0.7 V (at 1~ A/mm), negligible threshold voltage hysteresis ( V_ th of 0.05 V), together with small on-resistance ( R_ ON ) of 2.8 m cm2 for a gate-to-drain separation ( L_ GD ) of 20~ m. In addition, the devices showed exceptional off-state characteristics, including breakdown voltage ( V_ br ) of 2.7 kV, and ON/OFF current ratio of 10^9 , showcasing the potential of the p-NiO/SiO2 gate stack for high-performance E-mode power devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项2.7kV增强型多沟道GaN功率器件技术展现出显著的应用价值。该技术采用p型NiO/SiO2结型三栅结构，成功实现了0.7V的正阈值电压和极低的阈值漂移（0.05V），这对于光伏逆变器和储能变流器的安全可靠运行至关重要，可有效避免误导通风险。
技术性能方面，器件在20μm栅漏间距下实现了2.8mΩ·cm²的低导通电阻，配合2.7kV击穿电压和10⁹的开关比，其性能指标已接近商用化要求。这对阳光电源的1500V光伏系统和高压储能产品具有直接意义：更低的导通损耗可提升系统效率0.5-1个百分点，而高耐压特性能简化功率模块的串联设计，降低系统复杂度和成本。相比传统硅基IGBT，GaN器件的高频开关特性还能显著减小磁性元件体积，提高功率密度。
然而，该技术仍处于实验室阶段，距离产业化应用存在挑战。首先，GaN-on-Si基板的大规模制造成本和良率需要验证；其次，p型NiO层的长期稳定性、高温可靠性以及与现有封装工艺的兼容性需要深入评估。此外，多沟道结构的工艺复杂度可能影响量产一致性。
对阳光电源而言，建议密切跟踪该技术路线的产业化进程，可考虑与研发机构建立合作，提前布局下一代高压GaN功率器件的应用研究。同时，在现有产品平台上预留技术升级接口，为未来3-5年可能的技术迭代做好准备，保持在新能源功率电子领域的技术领先优势。