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基于体相AlN衬底的耐压超过2.7 kV、Baliga优值超过400 MW/cm²的Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N沟道HEMT
>2.7 kV Al0.65Ga0.35N Channel HEMT on bulk AlN substrate with >400MW/cm2 Baliga Figure of Merit
| 作者 | Khush Gohel · Swarnav Mukhopadhyay · Rajnin Imran Roya · Surjava Sanyal · Md Tahmidul Alam · Jonathan Chen |
| 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 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 富铝AlGaN 高压功率电子 AlGaN沟道晶体管 击穿电压 Baliga品质因数 |
语言:
中文摘要
由于具有出色的临界电场（>10 MV/cm），富铝的铝镓氮（AlGaN）已成为高压电力电子领域一种颇具前景的材料。在本研究中，我们展示了采用钝化和场板技术的高压 Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N 沟道晶体管。对于击穿电压大于 2.7 kV 的情况，采用与栅极焊盘相连和与源极焊盘相连的场板，Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N 沟道高电子迁移率晶体管（HEMT）实现了接近 400 MW/cm² 的高巴利加品质因数（BFOM）。此外，我们还报道了非钝化的 Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N 沟道 HEMT，其击穿电压大于 3 kV，BFOM 高达 569 MW/cm²。此外，在块状氮化铝（AlN）衬底上，铝含量大于 60% 的 AlGaN 沟道场效应晶体管（FET）实现了低于约 2.6 Ω·mm 的低接触电阻。这些研究成果取得了进展，有助于使 AlGaN 沟道晶体管成为下一代高压电力电子领域极具竞争力的候选技术。
English Abstract
Al-rich AlGaN has emerged as a promising material for high-voltage power electronics due to its exceptional critical electric field (>10 MV/cm). In this work, we demonstrate passivated and field-plated high voltage Al0.65Ga0.35N channel transistors. For >2.7 kV breakdown voltage, a high Baliga figure of merit (BFOM) of close to 400 MW/cm2 using gate pad connected and source pad connected field plates were obtained for Al0.65Ga0.35N channel HEMTs. Additionally, we also report a non-passivated Al0.65Ga0.35N channel HEMTs with >3 kV breakdown voltage and a high BFOM of 569 MW/cm2. Furthermore, a low contact resistance of 2.6~ mm for >60% AlGaN channel FETs on bulk AlN substrates was also obtained. These results provide advances which will help establish AlGaN channel transistors as a compelling candidate for next-generation high-voltage power electronics.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于高铝组分AlGaN沟道的超高压功率器件技术具有重要的战略价值。该研究展示的Al0.65Ga0.35N HEMT器件实现了超过2.7 kV的击穿电压和高达569 MW/cm²的Baliga品质因数，这一性能指标显著优于现有主流的硅基和碳化硅功率器件，为我们在高压大功率应用场景提供了全新的技术路径。
对于阳光电源的核心业务而言，这项技术的潜在价值体现在多个维度。在光伏逆变器领域，超过10 MV/cm的临界电场强度意味着器件可以承受更高的工作电压，这将直接推动1500V甚至更高电压等级系统的发展，有效降低系统损耗和平衡部件成本。在储能变流器和电动汽车充电桩等应用中，高BFOM值代表着更低的导通电阻和更高的耐压能力，可实现更高的功率密度和转换效率，这与我们追求高效率、小型化产品的技术方向高度契合。
然而，必须客观认识到该技术目前仍处于实验室研发阶段。虽然在体AlN衬底上实现了低至2.6 Ω·mm的接触电阻，但距离产业化应用还面临诸多挑战：体AlN衬底的成本和供应链成熟度、器件的长期可靠性验证、大规模制造工艺的开发，以及与现有封装和驱动电路的兼容性等问题都需要时间解决。
建议阳光电源保持对该技术方向的持续跟踪，适时开展前瞻性研究合作，为5-10年后的超高压功率电子技术迭代做好技术储备，确保在下一代功率半导体技术竞争中占据有利位置。