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一种基于SiC衬底、采用钨栅的高性能p沟道GaN MESFET，在525 K下工作并具有高ION/IOFF比
A Performance-Enhanced p-Channel GaN MESFET With Tungsten Gate and High ION/ IOFF Ratio on SiC Substrate Operational at 525 K
| 作者 | Huake Su · Tao Zhang · Shengrui Xu · Yachao Zhang · Hongchang Tao · He Yang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p沟道GaN MESFET SiC衬底 导通/关断电流比 接触电阻 CMOS应用 |
语言:
中文摘要
在本文中，首次展示了一种基于碳化硅（SiC）衬底的常关型 p 沟道氮化镓（GaN）金属 - 半导体场效应晶体管（MESFET），其具有高的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}$ </tex-math></inline-formula>/<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {OFF}}$ </tex-math></inline-formula> 比和无势垒欧姆接触。与基于硅（Si）衬底的极化增强型 p - GaN/AlN/AlGaN 相比，基于 SiC 衬底的相同设计外延片，其表面电位从 11 mV 降至 - 368 mV，同时接触电阻（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{C}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）降低了 1.9 倍，这是由与位错相关的电位调制所致。同时，获得了高达 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$3.3\times 10^{{7}}$ </tex-math></inline-formula> 的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}$ </tex-math></inline-formula>/<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {OFF}}$ </tex-math></inline-formula> 比、低至 0.05 V 的滞后电压和 83 mV/十倍频的亚阈值摆幅（SS）。基于 SiC 衬底的 p 沟道 GaN MESFET 具有可忽略不计的开启电压和高 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {ON}}$ </tex-math></inline-formula>/<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${I}_{\text {OFF}}$ </tex-math></inline-formula> 比等良好特性，在低压互补金属 - 氧化物 - 半导体（CMOS）应用方面显示出巨大潜力。
English Abstract
In this letter, a normally-off p-channel GaN metal–semiconductor field-effect transistor (MESFET) on SiC substrate with high I_ ON / I_ OFF ratio and barrier-freed ohmic contact was first demonstrated. Compared to the polarization-enhanced p-GaN/AlN/AlGaN on Si substrate, the same designed epitaxial wafer on SiC substrate showed a decreased surface potential from 11 to −368 mV as well as 1.9 times lower contact resistance ( R_C ) , modulated by dislocation-related potential. Meanwhile, high I_ ON / I_ OFF ratio of 3.3 10^7 , ultralow hysteresis voltage of 0.05 V, and subthreshold swing (SS) of 83 mV/dec were obtained. The well-behaved characteristics of p-channel GaN MESFET on SiC substrate with negligible turn-on voltage and high I_ ON / I_ OFF ratio show great potential for low-voltage complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项p沟道GaN MESFET技术具有重要的战略参考价值。该技术实现了常关型p沟道器件，结合n沟道器件可构建互补型CMOS架构，这为我们在光伏逆变器和储能变流器中追求更高功率密度和效率提供了新的技术路径。
该器件在SiC衬底上实现了3.3×10⁷的超高开关比和83 mV/dec的亚阈值摆幅，这意味着优异的开关特性和极低的静态功耗。对于阳光电源的储能系统而言，待机损耗的降低直接关系到系统全生命周期的能效表现。更值得关注的是，器件在525K（约252°C）高温下仍能稳定工作，这与我们产品在户外高温环境下的应用需求高度契合，有望减少散热系统设计压力，提升系统可靠性。
钨栅极的采用和无势垒欧姆接触的实现，使接触电阻降低了1.9倍，导通压降几乎可忽略，这对提升逆变器轻载效率具有积极意义。然而，从产业化角度评估，该技术仍处于实验室阶段，面临诸多挑战：p型GaN材料的掺杂激活效率较低，SiC衬底成本高昂，且p沟道器件的载流子迁移率天然劣于n沟道，这些因素都会影响其在大功率应用中的竞争力。
对阳光电源而言，短期内可关注该技术在辅助电源、信号处理等低压小功率电路中的应用潜力；中长期则需跟踪GaN互补技术的成熟度演进，评估其在新一代高频高效功率变换拓扑中的应用可行性，为技术储备和产品迭代做好前瞻性布局。