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基于单晶GaN衬底的p型场效应晶体管的首次实验实现
First Experimental Realization of a p-FET Based on Single Crystal GaN Substrate
| 作者 | Xu Liu · Shengrui Xu · Huake Su · Hongchang Tao · Tao Zhang · Lei Xie |
| 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 | p型场效应晶体管 氮化镓衬底 晶体质量 空穴密度 性能提升 |
语言:
中文摘要
在本研究中，我们首次报道了在单晶氮化镓（GaN）衬底上制备的 p 型沟道场效应晶体管（p-FET）。GaN 衬底上的 p-GaN/u-GaN/AlN/AlGaN 结构展现出优异的晶体质量和界面特性。由于穿线位错（TDs）的减少，氮空位显著降低，空穴补偿减少。基于 GaN 衬底的 p-FET 结构具有更高的面空穴密度。此外，陡峭的界面降低了界面粗糙度散射，保证了迁移率不会下降。基于 GaN 衬底的 p-FET 因更低的薄层电阻率而具有更高的性能。具体而言，与蓝宝石衬底上的 p-FET 相比，GaN 衬底上 p-FET 的饱和电流提高了 7 倍。这些结果表明，GaN 衬底在实现高性能 p-FET 方面具有巨大潜力。
English Abstract
In this study, we report the first p-type channel field-effect transistors (p-FETs) fabricated on single crystal GaN substrate. The p-GaN/u-GaN/AlN/AlGaN structure on GaN substrate exhibits excellent crystal quality and interface. Due to the decrease of threading dislocations (TDs), there is a significant reduction in N-vacancies. Fewer holes are compensated. The p-FET structure on GaN substrate features higher sheet hole density. Moreover, sharp interface reduces the interface roughness scattering, ensuring no degradation of mobility. The p-FETs based on GaN substrate have higher performance benefit from lower sheet resistivity. Specifically, the saturation current of the p-FET is boosted by 7 times compared to the p-FET on sapphire substrate. These results demonstrate the remarkable potential of GaN substrate for the realization of high-performance p-FET.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于单晶GaN衬底的p型场效应晶体管技术具有重要的战略价值。该技术通过在GaN衬底上构建p-FET结构，使饱和电流提升7倍，这对我们的核心产品——光伏逆变器和储能变流器的功率器件性能提升具有突破性意义。
在应用价值层面，GaN功率器件的双向导通能力一直受限于p型沟道性能不足。该技术通过降低位错密度减少氮空位，显著提高了空穴面密度和迁移率，使得真正意义上的高性能GaN互补电路成为可能。这将直接提升我们逆变器的开关频率、功率密度和转换效率，对于实现更小型化、更高效的光储一体机和户用储能系统至关重要。特别是在双向储能变流器应用中，优异的p-FET性能可以改善充放电效率对称性，降低系统损耗。
从技术成熟度评估，该研究仍处于实验室阶段，距离产业化应用尚有距离。主要挑战包括GaN衬底的成本控制、大尺寸晶圆制备工艺、与现有Si基和SiC基功率器件的竞争等。然而，该技术展现的性能优势明确指向了GaN功率电子的下一代发展方向。
对阳光电源而言，建议密切跟踪该技术路线的产业化进程，适时布局GaN互补器件的应用研究。可与上游GaN衬底和器件制造商建立战略合作，在高频高效逆变拓扑、先进封装技术等方面提前进行技术储备，以保持在新能源电力电子领域的技术领先优势。