← 返回
耐受1.27 GW/cm²反向阻断的E型GaN-Si(100)单片异质集成级联开关
1.27 GW/cm² Reverse Blocking E-Mode GaN-Si(100) Monolithic Heterogeneous Integration Cascode Switch With Ultralow Turn-On Voltage and Dynamic RON
| 作者 | Yutong Fan · Weihang Zhang · Yachao Zhang · Yinhe Wu · Xin Feng · Zhihong Liu |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN-Si集成开关 反向阻断能力 击穿电压 导通电阻 功率品质因数 |
语言:
中文摘要
在本文中，展示了一种在具有氮化铝（AlN）缓冲层的碳化硅（SiC）衬底上实现的具有反向阻断兼容性的增强型（E - Mode）氮化镓 - 硅（GaN - Si(100)）单片异质集成共源共栅开关（RBMHIC - 开关）。栅漏间距（LGD）小于 22 微米的 RBMHIC - 开关的阈值电压（VTH）为 2.64 V，正向栅极电压摆幅达 16.27 V，导通电压（VON）为 0.3 V，在 - 2000 V 时反向漏电流（IR）极低，仅为 3.5×10⁻⁴ mA/mm。该开关实现了 2264 V 的正向击穿电压（VFBR）和 2183 V 的反向击穿电压（VRBR），比导通电阻（RON,SP）为 3.74 mΩ·cm²，从而得到 1.35 GW/cm² 的正向功率品质因数（PFOM = VBR²/RON,SP）和 1.27 GW/cm² 的反向功率品质因数。在 1900 V 的漏极关断应力电压（VDS - OFF）下施加 10 ms 和在 - 1900 V 的 VDS - OFF（延迟时间为 1 微秒）下施加 10 ms 后，RBMHIC - 开关的动态导通电阻与静态导通电阻之比分别为 1.104 和 1.127，这在所有现有的具有反向阻断能力的氮化镓功率器件中表现最优。此外，还提取了该开关在不同温度下的热阻。与已报道的结果相比，RBMHIC - 开关展现出了良好的综合特性。
English Abstract
In this letter, an E-Mode GaN-Si(100) monolithic heterogeneous integration cascode switch (RBMHIC-switch) with reverse blocking compatibility on a SiC substrate with an AlN buffer layer is demonstrated. The RBMHIC-switch with LGD of 22~ m showed a threshold voltage (VTH) of 2.64 V, a large forward gate voltage swing of 16.27 V, a turn-on voltage (VON) of 0.3 V, and an extremely low reverse leakage current (IR) of 3.5 10^-4 mA/mm at -2000 V. The forward breakdown voltage (VFBR) of 2264 V and reverse breakdown voltage (VRBR) of 2183 V with a specific on-resistance ( R_ ON, {SP} ) of 3.74 m cm2 were achieved, resulting in a forward power figure of merit (PFOM = V _ BR^2 /RON,SP) of 1.35 GW/cm2 and reverse PFOM of 1.27 GW/cm2. The ratio between dynamic-RON and static-RON was 1.104 and 1.127 after a 10 ms 1900 V drain stress voltage (V _ DS- {OFF} ) and a 10 ms -1900 V V _ DS- {OFF} (delay time = 1~ s) for the RBMHIC-switches, respectively, which were the best among all existing GaN power devices with reverse blocking capability. The thermal resistance at different temperatures was also extracted. The RBMHIC-switche shows decent overall characteristics as compared to the reported results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN-Si异质集成反向阻断开关技术具有显著的战略价值。该器件实现了1.27 GW/cm²的功率品质因数，这一指标直接关系到我们光伏逆变器和储能变流器的功率密度提升潜力。
该技术的核心优势在于三个方面与我们的产品需求高度契合：首先，2200V级的双向阻断能力配合极低的反向漏电流，可简化1500V光伏系统的拓扑设计，减少串联器件数量，这对提升逆变器可靠性和降低成本至关重要。其次，0.3V的超低导通电压和3.74 mΩ·cm²的比导通电阻，意味着在相同芯片面积下可实现更低的导通损耗，这对我们追求99%以上转换效率的目标极具吸引力。第三，动态导通电阻仅比静态值增加10-13%，显著优于传统GaN器件的动态退化问题，这将直接改善储能系统在频繁充放电切换时的热管理表现。
然而，该技术仍处于实验室阶段，存在明显的产业化挑战。SiC衬底上的异质集成工艺复杂度高，成本控制是关键问题。对于阳光电源而言，需要评估相对于现有SiC MOSFET方案的性价比优势。此外，单片集成的cascode结构在大批量生产中的良率控制、长期可靠性验证（特别是在户外高温高湿环境下的表现）都需要深入考察。
建议将此技术纳入前瞻性研究跟踪清单，可考虑与研究团队建立合作，针对3.3kV及以上电压等级的中压储能系统开展应用适配性研究，为下一代高功率密度产品储备技术路线。