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首次实验证明采用TiNxOy电阻场板的p-GaN HEMT器件实现BV与Ron的同时提升
First Experimental Demonstration of TiNxOy Resistive Field Plate on p-GaN HEMTs With Simultaneously Enhanced BV and Ron
| 作者 | Zhuocheng Wang · Wanjun Chen · Fangzhou Wang · Cheng Yu · Xiaoming Wang · Ci Pan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6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 | p-GaN HEMTs 电阻场板（RFP） 击穿电压 导通电阻 TiNxOy RFP技术 |
语言:
中文摘要
本研究展示了采用电阻场板（RFP）的 p - GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT），该晶体管可同时改善导通态和关断态性能。RFP - HEMT 的特点是具有高电阻率的氮氧化钛（TiNₓOᵧ）电阻钝化层，该层从源极向漏极延伸。由于表面电场（E 场）调制效应和二维电子气（2 - DEG）增强效应，所设计的 RFP - HEMT 不仅在阻断状态下实现了更高的击穿电压（BV），而且在导通状态下实现了更低的导通电阻（$R_{\text {on}}$）。与传统的绝缘钝化器件相比，栅极 - 漏极间距为 20 μm 的优化 RFP - HEMT 实现了 1860 V 的击穿电压，提高了 111.36%；比导通电阻（$R_{\text {on},\text {sp}}$）为（5.78 ± 0.34）mΩ·cm²，降低了 25.03%；巴利加品质因数（BFOM）为 599 MW/cm²，提高了 496%。此外，RFP - HEMT 呈现出优化的动态/静态导通电阻比，这可归因于有效的表面 E 场调制和表面态填充。结果证明，TiNₓOᵧ RFP 技术提供了一种简单有效的方法，可在传统 p - GaN 栅极 HEMT 设计中不受击穿电压 - 导通电阻权衡限制的情况下改善器件性能。
English Abstract
This work demonstrates p-GaN high electron mobility transistors (HEMTs) with the resistive field plate (RFP) for simultaneously improved on-state and off-state performance. The RFP-HEMT features a high-resistivity titanium oxynitride (TiNxOy) resistive passivation layer extending from the source toward the drain. Owing to the surface electric field (E-field) modulation effect and the 2-D electron gas (2-DEG) enhancement effect, the designed RFP-HEMTs not only realize higher breakdown voltage (BV) in the blocking state, but also achieve lower on-state resistance ( R _ on ) in the conductive state. Compared with the conventional insulator passivated devices, the optimized RFP-HEMTs with the gate-to-drain distance of 20~ m realize the BV of 1860 V improved by 111.36%, the specific on-state resistance ( R _ on, {sp} ) of 5.78~ ~0.34 m cm2 decreased by 25.03%, and the Baliga figure of merit (BFOM) of 599 MW/cm2 improved by 496%. Furthermore, the RFP-HEMTs exhibit an optimized dynamic/static on-state resistance ratio, which can be attributed to the effective surface E-field modulation and the surface state filling. The results prove that the TiNxOy RFP technology offers a simple and efficacious approach to improve the device performance without the limit of BV- R _ on trade-off in conventional p-GaN gate HEMT design.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于TiNxOy电阻场板的p-GaN HEMT技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的电阻钝化层设计，突破了传统功率器件击穿电压与导通电阻之间的权衡限制，实现了1860V击穿电压提升111%的同时，导通电阻降低25%，功率优值(BFOM)提升近5倍，这对我们的光伏逆变器和储能变流器等核心产品具有直接应用价值。
在光伏逆变器领域，更高的击穿电压使器件能够适应1500V甚至更高电压等级的系统，这是大型地面电站和工商业屋顶项目的主流趋势。同时，更低的导通电阻直接降低了功率损耗，可显著提升系统转换效率0.2-0.5个百分点，这在竞争激烈的逆变器市场中是关键优势。对于储能变流器产品，该技术改善的动态/静态导通电阻比特性能够优化快速充放电工况下的性能表现，提升系统循环效率和可靠性。
从技术成熟度评估，该研究尚处于实验室验证阶段，距离量产应用还需解决TiNxOy薄膜的大规模制备工艺、长期可靠性验证以及成本控制等挑战。然而，其技术路径清晰，与现有p-GaN HEMT工艺兼容性好，工业化潜力较大。
建议阳光电源密切跟踪该技术发展，可考虑与相关研究机构建立合作，提前布局下一代高性能GaN功率器件技术。这不仅有助于巩固我们在功率变换技术上的领先地位，更能为未来更高功率密度、更高效率的新能源装备提供核心器件支撑，契合公司在碳中和领域的长期战略布局。