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储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

通过高温直流应力研究AlGaN/GaN HEMT中由直流引起的射频性能退化

Study of DC-Induced RF Performance Degradations in AlGaN/GaN HEMTs Through High-Temperature DC Stress

作者 Ping-Hsun Chiu · Yi-Fan Tsao · Heng-Tung Hsu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年5月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 AlGaN/GaN HEMTs RF性能退化 直流应力 陷阱 毫米波频率
语言:

中文摘要

在本研究中,我们研究了承受高温导通态直流应力($V_{\text {DS}} = 18$ V,$I_{\text {DS}} = 300$ mA/mm)的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的射频性能退化情况。主要聚焦于针对毫米波应用的短栅长器件仅由直流应力引起的射频退化机制分析。在整个直流应力过程中,对器件参数的变化进行了细致的测量和提取。结果表明,器件的本征栅电容和寄生电阻增大,导致单位电流增益截止频率($f_{\text {T}}$)和最大振荡频率($f_{\text {MAX}}$)退化。首先通过电流瞬态测量方法对退化机制进行研究,然后利用TCAD仿真进行分析。研究得出,AlGaN势垒层中产生的额外类受主陷阱倾向于增加净电荷密度,从而导致总栅电容增加以及跨导降低,这使得器件在承受应力后射频性能严重退化。该分析为毫米波频率下工作的GaN HEMT中由直流应力引起的射频性能退化的主要机制提供了更深入的见解。

English Abstract

In this work, we investigate the RF performance degradations in AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs) subjected to high-temperature on-state dc stress ( V_ DS = 18 V, I_ DS = 300 mA/mm). The main focus was on the RF degradation mechanism analysis induced by merely dc stress for short gate-length devices targeting for millimeter-wave applications. Throughout the dc stress process, variations in device parameters were meticulously measured and extracted. It was noted that the device exhibited an increase in intrinsic gate capacitance and parasitic resistance, leading to the degradation in unit-current-gain cutoff frequency ( f_ T ) and maximum oscillation frequency ( f_ MAX ) . Investigation of the degradation mechanism was first conducted through the current transient measurement methodology and then analyzed by TCAD simulation. It is concluded that the additional acceptor-like traps generated in the AlGaN barrier tend to increase the net charge density leading to the increase of total gate capacitance as well as the decrease in the transconductance, which causes the severe degradations in the RF performance after stress. This analysis offers deeper insights into the primary mechanisms behind RF performance degradation induced by dc stress in GaN HEMTs operating at millimeter-wave frequencies.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于GaN HEMT器件在高温直流应力下射频性能退化机理的研究具有重要的参考价值。虽然该研究聚焦于毫米波应用场景,但其揭示的器件退化机制对我们在光伏逆变器和储能变流器中广泛应用的GaN功率器件同样具有指导意义。

研究发现,在高温导通状态的直流应力下,AlGaN势垒层中产生的受主型陷阱会导致栅极电容增加和跨导下降,这一退化机制与我们在大功率应用中观察到的器件长期可靠性问题存在共性。对于阳光电源而言,这项研究提供了三个关键启示:首先,在逆变器和储能PCS的高频开关应用中,GaN器件同样面临类似的电热应力累积效应,需要在电路设计时充分考虑器件参数漂移对系统效率和可靠性的影响;其次,研究采用的电流瞬态测量和TCAD仿真方法论,可为我们建立更精准的器件老化模型提供技术路径,有助于优化产品的热设计和寿命预测;第三,短栅长器件在毫米波频段表现出的退化特征,提示我们在追求更高开关频率以提升功率密度时,必须权衡器件应力管理与性能提升的平衡。

当前GaN技术在功率电子领域的应用仍处于快速发展期,该研究揭示的陷阱效应机理为供应商筛选和可靠性评估提供了科学依据。建议我们加强与器件供应商的技术合作,推动建立面向长寿命应用的GaN器件应力测试标准,同时在新一代高频逆变器平台开发中,将这些退化机制纳入DFMEA分析,确保产品在25年全生命周期内的性能稳定性。