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基于Si衬底的高性能薄势垒增强型AlGaN/GaN HEMT用于低压射频应用
High RF Performance Enhancement-Mode Thin-Barrier AlGaN/GaN HEMTs on Si Substrate for Low-Voltage Applications
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1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 | AlGaN/GaN HEMTs 低电压RF应用 正阈值电压 高输出电流 高峰值功率附加效率 |
语言:
中文摘要
本研究展示了用于低压射频应用的硅衬底高性能增强型(E 型)AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)。采用薄势垒 AlGaN(7 纳米)和基于 CF₄的栅极凹槽刻蚀工艺,实现了 0.13 伏的正阈值电压。得益于低压化学气相沉积(LPCVD)生长的 SiN 应变层,薄势垒 AlGaN/GaN 异质结构的方块电阻从 410 欧姆/平方降至 280 欧姆/平方。因此,所制备的具有再生长欧姆接触且源漏间距为 850 纳米的 E 型薄势垒 AlGaN/GaN HEMT 展现出约 1.4 安/毫米的高最大输出电流、0.5 欧姆·毫米的低导通电阻和 1.3 伏的低膝点电压。脉冲 I - V 测量表明,在 20 伏漏极静态条件下,电流崩塌率低至 2.1%。对 E 型器件在 3.6 吉赫兹下进行的连续波功率测量显示,当漏极电压 Vds 为 6 至 12 伏时,峰值功率附加效率(PAE)非常高,超过 65%(Vds = 6 伏时,峰值 PAE 为 67.21%),最大输出功率密度高(12 伏时为 3.18 瓦/毫米),线性增益大(6 伏时为 17.4 分贝,12 伏时为 21.09 分贝)。这些优异的结果表明,该晶体管在漏极电压变化范围内能保持恒定的高 PAE,且增益和输出功率呈线性增加,在低压应用方面具有巨大的潜力和优势。
English Abstract
In this work, high-performance enhancement-mode (E-mode) AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) on Si substrate for low-voltage RF applications were demonstrated. The thin-barrier AlGaN (7 nm) and CF4-based gate recess etching were adopted to realize a positive threshold voltage of 0.13 V. Attributing to the SiN strain layer grown by low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD), the sheet resistance of the thin-barrier AlGaN/GaN heterostructure was reduced from 410 to 280~ /sq. Hence, the fabricated E-mode thin-barrier AlGaN/GaN HEMTs with regrown ohmic contacts and a small source-drain distance of 850 nm exhibit a high maximum output current of ~1.4 A/mm, a low on-resistance of 0.5~ mm, and a low knee voltage of 1.3 V. Pulsed I–V measurement shows that a low current collapse at 20 V drain quiescent condition of 2.1% was achieved. The continuous wave power measurement of the E-mode devices at 3.6 GHz shows a very large peak power added efficiency (PAE) over 65% with drain voltage V_ ds from 6 to 12 V (peak PAE of 67.21% at V_ ds=6 V), a high maximum output power density (3.18 W/mm at 12 V), and a linear gain (17.4 dB at 6 V and 21.09 dB at 12 V). These excellent results show that the transistor maintains a constant high PAE and linearly increased gain and output power over the drain voltage variation range, which has great potential and advantages for low-voltage applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于硅基底的增强型薄势垒AlGaN/GaN HEMT技术对我们的核心产品线具有重要的战略价值。该技术通过7nm超薄势垒结构和CF4栅极刻蚀工艺实现了0.13V的正阈值电压,配合LPCVD生长的SiN应变层将面电阻降至280Ω/sq,这些特性直接契合了光伏逆变器和储能变流器对高效功率转换的核心需求。
该器件在低压工作条件下展现出的卓越性能指标尤为引人关注:0.5Ω·mm的极低导通电阻、1.3V的低拐点电压,以及在6-12V宽电压范围内保持65%以上的功率附加效率(峰值达67.21%),这些参数对于提升我们逆变器系统的转换效率和降低损耗具有直接价值。特别是在储能双向变流器应用中,低电压RF性能的优化能够显著改善开关特性,减少EMI问题,提高系统集成度。
从技术成熟度评估,硅基底GaN技术相比蓝宝石或碳化硅基底具有更优的成本优势和热管理特性,这与阳光电源追求高性价比解决方案的战略一致。器件展现的2.1%低电流崩塌和高线性增益表明其可靠性已达到工业应用水准。然而,我们也需关注几个关键挑战:一是850nm源漏间距的工艺一致性控制;二是重生长欧姆接触的大规模制造良率;三是3.6GHz射频特性向实际开关频率应用的转化验证。
建议技术团队深入评估该技术在我们新一代高频逆变器(特别是100kHz以上开关频率产品)中的应用可行性,这可能成为我们在高功率密度光储系统领域建立技术壁垒的重要突破口。