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采用SiNx/AlN介质叠层的全凹槽型常关GaN MIS-HEMT器件稳定性提升
Improved Stability of Fully Recessed Normally-Off GaN MIS-HEMTs With SiNx/AlN Dielectric Stack
| 作者 | Yu Li · Guohao Yu · Ang Li · Haochen Zhang · An Yang · Yingfei Sun |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7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 | GaN MIS - HEMTs LPCVD - SiNx/ALD - AlN 阈值电压漂移 稳定性 功率开关应用 |
语言:
中文摘要
本研究对采用低压化学气相沉积（LPCVD）-氮化硅（SiNx）/原子层沉积（ALD）-氮化铝（AlN）或等离子体增强原子层沉积（PEALD）-二氧化硅（SiO₂）/ALD - AlN 介质叠层的氮化镓（GaN）金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管（MIS - HEMT）进行了对比研究。与 SiO₂/AlN MIS - HEMT 的阈值电压漂移（$\Delta {V}_{\text {TH}}$）为 2.0 V 相比，SiNx/AlN MIS - HEMT 在 150 °C 下表现出最小的阈值电压漂移（$\Delta {V}_{\text {TH}}$），为 - 0.24 V，且开/关电流比高达$10^{8}$。在栅极偏置应力下，SiNx/AlN 器件的$\Delta {V}_{\text {TH}}$为 - 0.90 V（正偏）和 - 0.45 V（负偏），而 SiO₂/AlN 器件的$\Delta {V}_{\text {TH}}$为 - 1.75 V 和 3.31 V。在保持$10^{4}$ s 的关态漏极偏置应力后，SiNx/AlN MIS - HEMT 的$\Delta {V}_{\text {TH}}$仅为 - 0.45 V。这种稳定性的提高归因于通过低压化学气相沉积工艺和富氮环境实现的 SiNx/AlN 叠层更好的界面质量。这些研究结果凸显了 LPCVD - SiNx/ALD - AlN 介质叠层在推动 GaN MIS - HEMT 用于高性能和可靠功率开关应用方面的潜力。
English Abstract
This work presents a comparative study of GaN metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility-transistors (MIS-HEMTs) employing LPCVD-SiNx/ALD-AlN or PEALD-SiO2/ALD-AlN dielectric stacks. The SiNx/AlN MIS-HEMTs exhibit a minimal threshold voltage shift ( V_ TH ) of −0.24 V with an on/off current ratio up to 10^8 under 150~^ C, compared to V_ TH=2.0 V for SiO2/AlN MIS-HEMTs. Under gate bias stress, SiNx/AlN devices show V_ TH of −0.90 V (positive) and −0.45 V (negative), versus −1.75 and 3.31 V for SiO2/AlN devices. After maintaining 10^4 s of off-state drain-bias stress, SiNx/AlN MIS-HEMT achieves a small V_ TH of −0.45 V. The improved stability is attributed to the better interface quality of SiNx/AlN stack, enabled by the low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process and nitrogen-rich environment. These findings underscore the potential of LPCVD-SiNx/ALD-AlN dielectric stacks in advancing GaN MIS-HEMTs for high-performance and reliable power switching applications.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于常关型GaN MIS-HEMT器件的研究具有重要的战略价值。该研究通过采用LPCVD-SiNx/ALD-AlN介质堆栈方案，显著提升了器件的阈值电压稳定性，这直接关系到我们光伏逆变器和储能变流器的核心竞争力。
在技术价值层面，该器件在150°C高温下仅产生-0.24V的阈值漂移，且开关比高达10^8，这对提升我们功率转换系统的可靠性至关重要。光伏逆变器和储能PCS系统长期工作在高温、高频开关环境下，传统硅基器件已接近物理极限。GaN器件的低导通电阻和快速开关特性可将系统效率提升1-2个百分点，这在大功率应用场景下意味着显著的能量损耗降低和散热成本优化。
该研究展示的栅极偏置应力和关态漏极偏置应力下的优异稳定性，解决了GaN器件商业化的关键瓶颈。SiNx/AlN方案相比SiO2/AlN方案在各类应力测试中表现出数倍的性能优势，这为我们开发更高功率密度的1500V光伏系统和高压储能系统提供了可靠的器件基础。
从应用前景评估，该技术已达到中试阶段成熟度，LPCVD和ALD工艺均为成熟的半导体制程。主要挑战在于成本控制和供应链建设。建议我们与国内GaN器件厂商建立战略合作，推动该技术在大功率模块中的验证应用，特别是在新一代组串式逆变器和液冷储能系统中率先导入，以巩固我们在高效率电力电子技术领域的领先地位。