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基于高质量超薄缓冲层的高射频性能增强型GaN-on-Si HEMT器件，输出功率达5.32 W/mm
High RF Performance E-Mode GaN-on-Si HEMTs With Pₒᵤₜ of 5.32 W/mm Using High-Quality Ultrathin Buffer
| 作者 | Jiale Du · Bin Hou · Ling Yang · Yachao Zhang · Qing Zhu · Meng Zhang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 增强型GaN HEMT 超薄缓冲层 两步渐变过渡结构 电流与射频功率性能 GaN-on-Si射频应用 |
语言:
中文摘要
在本文中，我们报道了一种在高质量超薄缓冲层上制备的高性能增强型氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），该超薄缓冲层是通过在高电阻率（HR）硅衬底上采用两步渐变（TSG）过渡结构实现的。由于TSG过渡结构能够使位错迅速湮灭，该超薄缓冲层的总位错密度（TDD）低至<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${1}.{7}\times {10} ^{{9}}$ </tex-math></inline-formula> cm<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$^{-{2}}$ </tex-math></inline-formula>，这有助于改善电流和射频功率性能。因此，在该结构上制备的增强型GaN HEMT的最大漏极电流达到620 mA/mm，阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）为0.7 V，跨导为360 mS/mm。此外，负载牵引测量结果显示，在脉冲模式下，当频率为3.6 GHz且<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {DS}}=35$ </tex-math></inline-formula> V时，最大输出功率密度（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${P}_{\text {out}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）达到5.32 W/mm，这代表了迄今为止报道的硅基增强型GaN器件的最高水平。本文展示的高质量GaN外延层和出色的增强型HEMT表明，硅基GaN在射频应用方面具有巨大潜力。
English Abstract
In this letter, we report a high-performance enhancement-mode GaN HEMT fabricated on high-quality ultrathin buffer, which achieved by a two-step-graded (TSG) transition structure on high-resistivity (HR) silicon substrate. Owing to rapid dislocation annihilation of TSG transition structure, the ultrathin buffer exhibits a low total dislocation density (TDD) of 1.7 10 ^9 cm ^-2 , which could make a contribution to the improvement of current and RF power performance. As a result, an E-mode GaN HEMT fabricated on this structure presents a maximum drain current of 620 mA/mm, a threshold voltage ( V_ th ) of 0.7 V, and a transconductance of 360 mS/mm. Furthermore, load-pull measurements yield a maximum output power density ( P_ out ) of 5.32 W/mm at 3.6 GHz and V_ DS=35 V in pulse mode, which represents the top level for E-mode GaN-on-Si devices reported to date. The high-quality GaN epitaxy and splendid E-mode HEMT shown in this work reveal great potential for GaN-on-Si RF applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于硅基衬底的增强型GaN HEMT技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的两步梯度过渡结构实现了超薄缓冲层的高质量外延生长，将位错密度降低至1.7×10⁹ cm⁻²，这为功率器件性能的突破奠定了基础。
在光伏逆变器和储能变流器领域，该技术展现的5.32 W/mm输出功率密度和0.7V正阈值电压特性，对我们的产品升级具有直接价值。增强型器件的常关特性可显著提升系统安全性，降低驱动电路复杂度，这对于大功率集中式逆变器和储能PCS系统尤为关键。620 mA/mm的高漏极电流和360 mS/mm的跨导表明器件具备优异的开关特性，有望将逆变器效率推向99%以上，同时减小散热系统体积。
硅基衬底的技术路线是该方案的核心优势。相比传统SiC或蓝宝石衬底，硅基GaN可利用成熟的8英寸甚至12英寸硅晶圆产线，大幅降低制造成本，这与阳光电源追求高性价比解决方案的战略高度契合。超薄缓冲层设计还能改善热管理性能，这对于户外高温环境下长期运行的光伏和储能设备至关重要。
然而，该技术目前仍处于实验室阶段，从3.6 GHz射频应用向中低频功率转换应用迁移需要重新优化器件结构。我们需要关注的技术挑战包括：大尺寸晶圆的均匀性控制、长期可靠性验证、以及与现有封装工艺的兼容性。建议与该技术团队建立合作，探索在1200V/650V电压平台的功率器件开发，为下一代高功率密度逆变器和储能系统储备核心技术能力。