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铁电ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管中的自加热效应及热缓解策略
Self-Heating Effects and Thermal Mitigation Strategies in Ferroelectric ScAlN/GaN HEMTs
| 作者 | Jie Zhang · Jian Guan · Jiangnan Liu · Paiting Liu · Shubham Mondal · Yuxuan Luan |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年9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 | 铁电ScAlN/GaN HEMT 自热效应 热缓解策略 热管理 二维电子气 |
语言:
中文摘要
我们研究了铁电ScAlN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中的自热效应（SHE）及其热缓解策略。采用分子束外延（MBE）生长的器件展现出约3.8 V的大记忆窗口（MW）、大于10⁸的开/关电流比（Iₒₙ/Iₒff）和约20 mV/dec的亚玻尔兹曼亚阈值摆幅（SS），这得益于ScAlN对二维电子气（2DEG）的极化控制。在高漏极偏压下，自热效应会使记忆和亚阈值特性退化。通过外部加热和跨导分析，证实了这种退化源于热效应。多频电导测量揭示了电荷的俘获和脱俘现象，而自热效应可能会加速这一过程。扫描热显微镜证实，集成散热器可有效降低温度升高。这些结果强调了热管理对于铁电HEMT在高功率和极端环境应用中可靠运行的重要性。
English Abstract
We investigate self-heating effects (SHE) and thermal mitigation strategies in ferroelectric ScAlN/GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs). Molecular beam epitaxy (MBE)-grown devices demonstrate a large memory window (MW) of ~3.8 V, on/off current ratio (Ion/Ioff) >108, and sub-Boltzmann subthreshold swing (SS) ~20 mV/dec, enabled by ScAlN polarization control of the two-dimensional electron gas (2DEG). Under high drain bias, SHE degrades memory and subthreshold characteristics. The thermal origin of degradation is confirmed by external heating and transconductance analysis. Multi-frequency conductance measurements reveal charge trapping and detrapping, which may be accelerated by SHE. Heat sink integration effectively reduces temperature rise, as verified by scanning thermal microscopy. These results underscore the importance of thermal management for reliable ferroelectric HEMT operation in high-power and extreme-environment applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项铁电ScAlN/GaN HEMT技术在功率电子器件领域展现出重要应用潜力。该器件实现了3.8V的大记忆窗口、超过10^8的开关电流比以及20 mV/dec的亚阈值摆幅，这些特性对于我们的光伏逆变器和储能变流器中的高频开关器件具有显著价值。
铁电极化控制二维电子气的技术路径为功率器件提供了新的调控维度，可望在保持GaN器件高功率密度优势的同时，实现更精确的阈值电压控制和更低的开关损耗。这对提升逆变器效率、降低系统体积重量具有直接意义，特别是在户用储能和工商业储能系统中，器件性能的提升将直接转化为系统竞争力。
然而，研究揭示的自热效应问题值得高度关注。高漏极偏压下器件记忆特性和亚阈值特性的退化，以及电荷俘获加速现象，直接关系到器件在实际高功率应用中的可靠性。这与我们产品在沙漠、高原等极端环境下的长期运行需求形成挑战。论文提出的散热器集成方案虽有效降低温升，但也提示该技术距离商业化应用仍需解决热管理系统设计、长期可靠性验证等工程问题。
从技术成熟度评估，该技术尚处于实验室阶段，MBE生长工艺的成本和产能也是制约因素。但其在极端环境下的潜在优势与阳光电源在沙特、澳洲等高温地区的项目需求高度契合，建议持续跟踪该技术发展，适时开展联合研发，为下一代高效率、高可靠性功率变换系统储备核心技术。