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功率器件技术 GaN器件 ★ 4.0

一种用于极化梯度HEMT的紧凑模型及其线性度增强研究

A Compact Model for Polarization-Graded HEMTs Demonstrating Enhanced Linearity

作者 Mohammad Sajid Nazir · Mir Mohammad Shayoub · Nivedhita Venkatesan · Patrick Fay · Yogesh Singh Chauhan
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 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 极化渐变氮化镓 高电子迁移率晶体管 三维电子分布 模型开发 模型验证
语言:

中文摘要

本文提出了一种对极化渐变氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)进行建模的方法。与传统的GaN HEMT不同,传统GaN HEMT在势垒层 - 沟道层界面形成二维电子气(2DEG),而渐变结构具有三维电子分布。本文使用半导体工艺及器件模拟软件(TCAD)模拟来提取载流子密度和能带图,以此作为模型开发的基础。推导过程采用了对费米 - 狄拉克积分解的精细近似,通过使用电势平衡,在确保可微性的同时,准确地将载流子密度与施加的栅极偏置关联起来。随后,采用基于表面电势的方法对终端电流和电荷进行建模。通过与晶圆上测量结果和已发表的数据进行对比来验证该模型,对比内容包括直流转移和输出特性以及在10 MHz - 110 GHz频率范围内测得的S参数。此外,通过与10 GHz下的大信号和互调测量结果进行对比,验证了该模型在表征线性度方面的准确性。

English Abstract

This article presents an approach for modeling polarization-graded gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs). Unlike conventional GaN HEMTs, where a 2-D electron gas (2DEG) forms at the barrier–channel interface, graded structures feature a 3-D electron distribution. TCAD simulations are used to extract carrier density and energy band diagrams, which form the basis for model development. The derivation uses refined approximations for the Fermi–Dirac integral solution, ensuring differentiability while accurately correlating carrier density with the applied gate bias through the use of potential balance. A surface-potential-based approach is subsequently used to model terminal currents and charges. Validation of the model is done through comparison with on-wafer measurements and published data, including dc transfer and output characteristics and measured S-parameters over the frequency range of 10 MHz–110 GHz. Furthermore, model accuracy in representing linearity is verified by comparing to large signal and intermodulation measurements at 10 GHz.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项极化梯度GaN HEMT紧凑模型技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的三维电子分布结构显著提升了器件线性度,这直接对应我们在高功率光伏逆变器和储能变流器中面临的核心技术挑战。

在光伏逆变器领域,传统GaN HEMT器件虽然具备高开关频率和低损耗优势,但线性度不足常导致谐波失真和电磁干扰问题,影响并网质量和系统效率。该论文提出的极化梯度结构通过改变载流子分布特性,在10GHz频段展现出优异的大信号线性度和互调特性,这意味着在我们的组串式和集中式逆变器中应用此技术,可望在保持高效率的同时大幅降低THD(总谐波失真),提升电能质量,满足日益严格的并网标准。

对于储能系统的双向变流器应用,该技术的价值更为突出。储能PCS需要频繁进行充放电切换,对器件的动态响应和线性特性要求极高。基于表面势的精确建模方法能够准确预测器件在宽频范围(10MHz-110GHz)的S参数特性,这为我们优化控制算法、提升系统响应速度提供了可靠的仿真基础。

技术成熟度方面,该研究已完成从TCAD仿真到实际器件测试的完整验证链,但从研究到量产仍需克服工艺稳定性和成本控制挑战。建议我们与GaN器件供应商建立联合开发机制,优先在高端储能和大功率逆变器产品线进行试点应用,抢占技术制高点。这项技术与我们的1500V高压系统和液冷技术形成协同,有望成为下一代高功率密度产品的关键使能技术。