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电动汽车驱动 SiC器件 ★ 5.0

基于SiC的C波段β-Ga₂O₃射频功率MOSFET实现高输出功率密度与低微波噪声系数

C-Band β-Ga₂O₃-on-SiC RF Power MOSFETs With High Output Power Density and Low Microwave Noise Figure

作者
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 β-Ga2O3-on-SiC RF MOSFETs 输出功率密度 截止频率 微波噪声特性
语言:

中文摘要

在这封信中,我们表明,通过采用重掺杂沟道以降低沟道电阻,并使用高导热性的碳化硅(SiC)衬底来增强散热,基于碳化硅衬底的β - Ga₂O₃射频(RF)功率金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)能够在C波段应用中实现高输出功率密度(${P}_{\text {out}}$)。通过这些措施,基于碳化硅衬底的β - Ga₂O₃射频MOSFET展现出730 mA/mm的漏极电流密度(${I}_{\text {D}}$)和81 mS/mm的峰值跨导($g_m$)。因此,其截止频率(${f}_{\text {T}}$)和最大振荡频率(${f}_{\max }$)分别达到了19.2 GHz和35.3 GHz。得益于在高漏极偏置(${V}_{\text {DS}}$)工作条件下自热效应得到抑制,该晶体管在4 GHz时的输出功率密度(${P}_{\text {out}}$)达到3.5 W/mm,在6 GHz时达到3.2 W/mm。据所有作者所知,这是所有β - Ga₂O₃射频功率场效应晶体管(FET)在C波段实现的最高输出功率密度。此外,本文研究了β - Ga₂O₃射频MOSFET在2 - 15 GHz频率($f$)范围内的微波噪声特性。该器件在2 GHz时能够实现低至1.4 dB的最小噪声系数($NF_{\min}$),在4 - 6 GHz时为1.8 - 2.5 dB。采用重掺杂沟道和高导热性衬底的β - Ga₂O₃射频功率MOSFET证明了其在未来高功率、高频和低噪声射频电子领域的巨大应用潜力。

English Abstract

In this letter, we show that -Ga2O3-on-SiC RF power metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) can achieve a high output power density ( P_ out ) for C-band applications by implementing a heavily doped channel to reduce channel resistance and a high thermal conductivity SiC substrate to enhance heat dissipation. By doing so, -Ga2O3-on-SiC RF MOSFETs demonstrate a drain current density ( I_ D ) of 730 mA/mm and peak transconductance (gm) of 81 mS/mm. As a result, cut-off frequency ( f_ T ) and maximum oscillation frequency ( f_ ) of 19.2 and 35.3 GHz are achieved, respectively. Benefited from the suppressed self-heating effect under high drain bias ( V_ DS ) operation condition, the RF power performances with output power density ( P_ out ) =3.5 W/mm at 4 GHz and P_ out =3.2 W/mm at 6 GHz are reported. To the best of all the authors’ knowledge, this is the highest P_ out at C-Band among all -Ga2O3 RF power FETs. In addition, this work studies the microwave noise characteristics of the -Ga2O3 RF MOSFETs at frequency (f) range of 2–15 GHz. The device is able to achieve a low minimum-noise figure (NFmin) of 1.4 dB at 2 GHz and 1.8–2.5 dB at 4–6 GHz. -Ga2O3 RF power MOSFETs with heavily doped channel and high thermal conductivity substrate verify their great promise for future high power, high frequency, and low noise RF electronics.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项β-Ga₂O₃射频功率MOSFET技术虽然聚焦于C波段高频应用,但其底层技术突破对我们的核心业务具有重要启示意义。

该研究通过重掺杂沟道降低通态电阻和采用高导热SiC基板抑制自热效应的技术路径,与我们在光伏逆变器和储能变流器中面临的功率密度提升和热管理挑战高度契合。特别是SiC基板的散热优化方案,可为我们现有的SiC基MOSFET和IGBT模块设计提供参考。该器件实现的730 mA/mm漏极电流密度和优异的热性能表明,在高功率密度应用场景下,衬底材料的选择对系统可靠性至关重要。

然而,从应用成熟度评估,该技术目前仍处于实验室阶段,主要面向射频通信领域。Ga₂O₃材料体系在功率电子领域的应用尚需突破:一是成本问题,相比成熟的Si和SiC技术,Ga₂O₃外延和制造成本显著偏高;二是可靠性验证,缺乏长期工作寿命和环境适应性数据;三是生态系统不完善,配套的驱动电路、封装技术尚未成熟。

对阳光电源而言,短期内应持续关注该技术在材料特性和热管理方面的进展,特别是其超宽禁带半导体(~4.8 eV)带来的高击穿电压潜力,这对开发1500V及以上高压光伏系统具有前瞻价值。中长期可考虑在研发层面进行小规模技术储备,但暂不适合作为产品化方向。当前阶段,我们应继续深耕SiC和GaN技术路线,同时密切跟踪Ga₂O₃在功率器件领域的成本下降曲线和标准化进程。